16 TECNICHE DI GIUNZIONE CONTINUA DEI MATERIALI …saldatura può richiedere la partecipazione attiva solo del metallo base, oppure necessitare anche di materiale d’apporto. In ogni

TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01 CAP. 16- TECNICHE DI GIUNZIONE CONTINUA DEI MATERIALI METALLICI

CAPITOLO

16 16 TECNICHE DI GIUNZIONE CONTINUA DEI

MATERIALI METALLICI

Sinossi a saldatura rappresenta senz’altro il metotodo di collegamento tra componenti strutturali metallici

apparententemente più naturale. Infatti, nella sua accezione più comune, essa consiste nel procedimento di unione di due parti metalliche attraverso la semplice coalescenza delle superfici nella zona di contatto. La saldatura può richiedere la partecipazione attiva solo del metallo base, oppure necessitare anche di materiale d’apporto. In ogni caso, grazie alla propria natura intrinseca, la saldatura nelle costruzioni aerospaziali offre potenzialmente numerosi vantaggi: produce superfici aerodinamicamente efficienti perché prive di protuberanze; realizza giunzioni a tenuta; dà luogo a singolarità di sforzo accettabili rispetto alle giunzioni meccaniche; non presenta pericoli di ripresa di gioco e di corrosione galvanica ed è strutturalmente efficiente. Ciononostante essa non costituisce il metodo standard di giunzione delle strutture aeronautiche, a causa della difficile saldabilità delle leghe d’alluminio. Questo capitolo ne illustra gli aspetti metallurgici, le tecniche convenzionali e quelle innovative, quali la saldatura al LASER, al plasma, diffusion bonding, electron beam e friction stir welding, che hanno consentito l’adozione della saldatura nelle realizzazioni aerospaziali di ultima generazione, quali i moduli dell’ISS - International Space Station e la fusoliera dell’Airbus A380.

16.1 La saldatura a saldatura è un processo nel quale materiali della stessa classe sono uniti attraverso la formazione di

legami primari (e, occasionalmente, secondari) di tipo atomico/molecolare sotto l’azione di calore e pressione. I tipi di legami che si formano sono dello stesso tipo di quelli che si trovano nei materiali da collegare: così i metalli sono collegati nella saldatura attraverso legami metallici. Se due superfici piane ideali vengono portate alla distanza in cui le forze attrattive e repulsive sono in equilibrio (punto di minimo dell’energia potenziale) per le particolari specie atomiche che costituiscono le superfici, si formano legami tra coppie di atomi e i due materiali si saldano assieme perfettamente. In questo caso non rimane traccia della pre-esistente interfaccia fisica e non si verifica alcuna distruzione della struttura atomica dei due materiali saldati (Figura 16.1a,b). La saldatura che ne consegue possiede la resistenza legata all’energia di legame teorica, e quindi l’efficienza del legame è del 100%. In realtà i due materiali non hanno mai superfici perfettamente lisce e piane, cosicché la distanza di equilibrio non può mai essere raggiunta e la saldatura perfetta non può essere ottenuta grazie alla semplice giustapposizione dei materiali. I materiali reali hanno superfici irregolari, cosicché solo un atomo su molti miliardi si trova nelle condizioni di stabilire la distanza di equilibrio e di creare un legame (Figura 16.1c), perciò la

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G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 1 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano




resistenza del giunto può essere solo di un miliardesimo della resistenza teorica: tale situazione è ulteriormente peggiorata dalla presenza di strati di ossido e dall’umidità intrappolata. La saldatura si può ottenere solo rimuovendo tali ostacoli e portando gli atomi alla distanza di equilibrio (Figura 16.1d). Esistono solo due modi per fare ciò: applicare calore e applicare pressione. Il calore elimina l’umidità, rompe gli strati di ossido, aumenta la duttilità (Figura 16.1e) o porta a fusione il materiale (Figura 16.1f), consentendo agli atomi di riorganizzarsi e di trovare la distanza di equilibrio. La pressione produce gli stessi effetti: la Figura 16.1g mostra una fusione quasi-ideale ottenuta tramite calore e pressione a partire da materiali non-ideali.

Figura 16.1 – (a) e (b) Schema di una saldatura ideale tra due materiali; (c) Formazione occasionale di legami atomici. Nella fattispecie, la distanza è pari a quella per cui si verifica il minimo valore di energia potenziale; (d) Presenza di strati di ossidi e umidità tra due superfici reali da unire; (e) Effetto del calore nei confronti della pulizia nella zona interessata all’unione; (f) Fusione del materiale per effetto del calore; (g) Fusione quasi ideale di materiali non ideali ottenuta mediante l’applicazione congiunta di pressione e calore.

L’ammontare relativo del calore e della pressione può variare da un estremo all’altro: i processi di saldatura possono infatti venir classificati come pressure o non-pressure ovvero come fusion o non-fusion. In ogni caso, per quanto detto, deve risultare chiara la necessità di una pulizia preliminare delle superfici da saldare. Oli, grassi e particolati devono essere eliminati tramite solventi; ossidi e solfuri devono essere eliminati per mezzo di abrasione meccanica o tramite acidi o basi forti. Talune tecniche di saldatura adottano un agente chimico flussante per pulire e attivare le superfici, mentre tutti i metalli necessitano di essere protetti dalla ossidazione tramite un’atmosfera di gas inerte (argon, elio, azoto) o lavorando in vuoto. Indipendentemente dalla tecnica specifica, la saldatura presenta i seguenti:

- vantaggi: • giunzione di tipo permanente, che preclude

smontaggi accidentali e prese-di-gioco; • ampia varietà di processi diversificati; • adattabilità a diversi materiali; • possibilità di automazione; • eventuale portabilità; • costi generalmente accettabili; • giunzione a tenuta;

- svantaggi: • giunzione che preclude ogni possibilità di

ispezione, smontaggio e sostituzione; • l’apporto di calore può provocare distorsioni,

modificare le caratteristiche originarie dei materiali o indurre trattamenti termici;

• impossibilità di saldare materiali appartenenti a classi diverse;

• il raffreddamento può indurre sforzi residui di origine termo-elastica;

• la tecnica richiede manodopera specializzata; • i costi possono essere considerevoli in caso di

saldature critiche o laboriose; • gli investimenti possono essere rilevanti, specie in

caso di impianti automatizzati. Tra i vantaggi della saldatura va annoverata l’esistenza di un gran numero di processi diversi tra loro ed adatti a svariate esigenze; nasce quindi la necessità di una classificazione, cui ha provveduto l’AWS – American Welding Society (Figura 16.2, nella quale sono riportate anche le sigle convenzionali). Di seguito sono elencati alcuni criteri alternativi, rispettivamente basati su: - sorgente di energia: la sorgente di energia che produce il calore necessario alla saldatura può essere di tipo:

• chimico o reazione esotermica gas/ossigeno o reazione esotermica metallo/ossigeno

• elettrico o arco elettrico o plasma o resistenza o induttanza o micro-onde/radiofrequenza


Figura 16.2 - Classificazione AWS delle saldature esistenti.

• meccanico o attrito o pressione o esplosione o ultrasuoni o fascio elettronico

- reazione di fase: all’interfaccia possono verificarsi reazioni di tipo:

• liquido-solido • solido-solido • vapore-solido

- pressione/non pressione: per ottenere la saldatura molti processi richiedono l’applicazione di pressione contemporaneamente all’apporto di calore; al contrario pochi possono essere effettuati a freddo (pressure). Le tecniche non pressure si basano invece sul solo apporto di calore: il valore di pressione è il minimo possibile per tenere in posizione le parti da collegare; - fusione/non fusione: sono molto numerose le tecniche basate sull’apporto di calore per fondere e saldare il metallo (fusion); quando invece il calore ne provoca il solo rammollimento così da facilitare le deformazioni plastiche allora si parla di processo non fusion; - autogena/omogenea/eterogenea: questa suddivisione è basata sull’utilizzo di materiale d’apporto, necessario a






riempire i vuoti tra le superfici a contatto o a rendere compatibili i due materiali da collegare:

• autogena: senza materiale d’apporto • omogenea: con materiale d’apporto della stessa

composizione del materiale base • eterogenea: con materiale d’apporto di natura

diversa da quella del materiale base - elettrodo non consumabile/consumabile: nel caso di saldatura all’arco elettrico l’elettrodo può essere:

• non consumabile: quando serve solo fornire corrente all’arco

• consumabile: se fornisce corrente all’arco e nel mentre costituisce il materiale d’apporto

- elettrodo consumabile continuo/discontinuo: nel caso di saldatura all’arco con elettrodo consumabile, questo può essere in forma:

• continua (filo), adatto ai processi automatici • discontinua (bacchetta) per processi manuali.

L’ostacolo all’adozione di una qualsivoglia tecnica di saldatura nelle costruzioni aerospaziali risiede tuttora nella problematica saldabilità delle leghe d’alluminio, specie quelle di specifico impiego strutturale. Infatti, fino ad una quarantina di anni fa l’alluminio e le sue leghe venivano considerati materiali non saldabili o, comunque, difficilmente saldabili a causa delle particolari caratteristiche fisico-chimiche dell’ossido di alluminio che ricopre naturalmente la superficie del metallo. L’allumina (Al2O3), infatti, avendo un elevato punto di fusione1 (oltre 2000 °C), una densità inferiore a quella dell’alluminio ed una elevata stabilità chimica, essendo attaccabile solo da basi forti come la soda o la potassa caustica, costituisce un ostacolo di non poco conto all’esecuzione di saldature valide ed affidabili. Infatti, mentre il metallo raggiunge la fusione, la pellicola di ossido rimane allo stato solido galleggiando sopra il bagno, ostacolando o impedendo del tutto l’unione fra gli elementi: l’interfaccia di ossido non consente il contatto diretto e quindi, di fatto, la compenetrazione. Può verificarsi, inoltre, il fatto che le particelle di ossido o soffiature restino intrappolate nel metallo fuso (Figura 16.3) provocando un peggioramento delle caratteristiche meccaniche globali del giunto. Oggigiorno, grazie al perfezionamento delle tecniche e delle attrezzature per la saldatura, si riesce a tenere

1 1 Va ricordato che l’acciaio ha una temperatura di fusione di circa 1400 °C ed il suo ossido di circa 900 °C; viceversa l’alluminio ha una temperatura di fusione di 660 °C, il suo ossido di circa 2030 °C. Per questa ragione esistono dei tipi di acciaio le cui caratteristiche fisiche, chimiche e meccaniche non sono sensibilmente alterate dalla saldatura. Generalmente la saldabilità dell’acciaio è tanto maggiore quanto è minore il tenore di carbonio (comunque è preferibile che sia inferiore allo 0,2%); inoltre essa è ulteriormente migliorata dall’aggiunta di alliganti quali il molibdeno ed il manganese.

sotto controllo il problema dell’ossido. Oggi le leghe leggere risultano normalmente saldabili: in particolare tutte le leghe sono saldabili per resistenza e, eccezion fatta per quelle delle serie 2xxx e 7xxx, la maggior parte di esse è saldabile ad arco sotto la protezione di gas inerte. Sono inoltre ormai entrate nella pratica tecnologica comune le tecniche di saldatura al LASER, al plasma, a fascio di elettroni la friction stir welding. La Tabella 16.1 sintetizza il comportamento riguardo alla saldabilità delle principali leghe leggere d’alluminio. Il secondo motivo che ostacola l’introduzione dei giunti saldati nelle costruzioni aeronautiche risiede nella difficoltà di controllarne la bontà: un rivetto mal installato è immediatamente rilevato dall’esame visivo; un cordone o un punto di saldatura con difetti interni, può essere rilevato solo tramite onerosi (in tempo ciclo e denaro) controlli non distruttivi (CND) radiografici o ultrasonori. Rimane solo la soluzione dei controlli distruttivi a campione, che possono lasciare anch’essi margini di incertezza.

Figura 16.3 - Difetti all’interno del giunto dovuti alla presenza di particelle di ossido o soffiature.

16.2 Fisica e metallurgia della saldatura er ottenere la fusione occorre apportare energia termica ad alta densità alle superfici da saldare fino a

raggiungere la temperatura necessaria alla fusione del metallo base ed eventualmente del materiale d’apporto. La densità di energia può essere definita come la potenza trasferita al materiale per unità di superficie (Wmm-2). Il tempo necessario a fondere il metallo è inversamente proporzionale alla densità di energia. Se la densità è troppo bassa, il tempo diventa troppo lungo e il calore apportato eguaglia quello eliminato per conduzione: la fusione non avviene (per la maggior parte dei metalli questa soglia minima vale 10Wmm-2). Se la densità di energia è troppo elevata (> 105Wmm-2) il metallo vaporizza: ciò definisce il campo utile della densità di energia. Entro questo campo, le diverse tecniche di saldatura si differenziano in base alla velocità di processo ed alla superficie della saldatura.

P




Tabella 16.1 - Comportamento nei confronti della saldabilità delle principali leghe leggere di alluminio.

Alcuni valori sono riassunti in Tabella 16.2: va notato che, per ragioni metallurgiche, è preferibile fondere il metallo con la minima energia possibile, quindi sono preferibili alti valori di densità di potenza PD, calcolabile come:

PD = P/A dove P è la potenza entrante, A l’area su cui diffonde; in realtà esistono aspetti che complicano il calcolo, dovute al moto della sorgente ed alla disuniforme distribuzione della densità di potenza sulla superficie. La quantità di calore necessaria a fondere un volume di metallo dipende: dal calore necessario per raggiungere la temperatura di fusione (il quale dipende dal calore specifico); dalla temperatura di fusione del metallo; dal calore latente di fusione. Tale quantità Um di calore può essere stimata dalla relazione (cfr. Tabella 16.3):

Um = KTm2 (§)

ove: Tm = temperatura di fusione del metallo K = costante uguale a 3,33x10-6 nella scala °Kelvin

Esistono però due meccanismi di trasmissione del calore che riducono la quantità di calore generato che effettivamente raggiunge la zona di saldatura:

• trasmissione del calore tra la sorgente e la superficie (coefficiente di trasmissione f1);

• trasmissione del calore per conduzione dalla zona di saldatura alle circostanti (coeff. f2);

L’azione combinata di questi due coefficienti riduce il calore effettivamente disponibile Hw per la saldatura:

Hw = f1f2H (§§) ove H rappresenta il calore totale generato dal processo di saldatura, i coefficienti2 f1 e f2 variano da 0 a 1. In base alle due relazioni (§) e (§§) è possibile scrivere il bilancio tra l’energia disponibile e quella necessaria:

Hw = UmV (§§§) essendo V il volume del materiale. Nella maggior parte dei processi di saldatura, il calore realmente disponibile Hw è reso disponibile con un certo rateo ed il cordone viene realizzato ad una certa velocità: per questo motivo è opportuno scrivere la (§§§) come un bilancio di ratei:

RHw = UmRWV ove:

RHw = rateo del calore disponibile per la saldatura

2 I coefficienti f1e f2 dipendono rispettivamente: f1 dalla capacità di trasformare la potenza alla sorgente (per esempio elettrica) in calore utilizzabile per la saldatura la saldatura all’arco è efficiente, la saldatura a gas è inefficiente; f2 dalle proprietà termiche del metallo, dalla forma, dallo spessore delle parti da saldare i metalli con grande conducibilità termica (rame e alluminio) non sono efficienti. La soluzione ottimale è perciò rappresentata da processi con elevata densità di potenza e metalli con bassa conducibilità termica.


RWV = rateo del volume di materiale saldato Nella saldatura di un cordone continuo, il rateo del volume di materiale saldato è il prodotto dell’area della sezione del cordone A per la velocità di saldatura v; sostituendo tali termini nell’espressione in questione si ottiene (avendo sostituito anche RHw con f1f2RH):

RHw = f1f2RH = UmAWv Per ogni processo di saldatura vanno perciò calcolati: densità di potenza PD e rateo di calore disponibile RHw.

Tabella 16.2 - Valori approssimati della densità di energia per alcuni processi di saldatura.

Tabella 16.3 - Temperature di fusione per alcuni metalli impiegati nelle operazioni di saldatura.

Da un punto di vista metallurgico, tutti i processi di saldatura richiedono calore per creare quei legami a livello atomico che stanno alla base della giunzione. A questo proposito vanno ricordati i seguenti aspetti: - il rateo di riscaldamento è importante soprattutto perché: a) causa la concentrazione di calore al punto di ingresso dell’energia; b) provoca l’ingenerarsi di sforzi di origine termo-elastica; c) sposta leggermente verso l’alto le temperature di trasformazione; - il tempo alla temperatura di picco è particolarmente importante poiché tutte le reazioni che comportano fenomeni di diffusione richiedono tempo (per esempio dissoluzione di gas nel metallo fuso, ossidazione del metallo fuso e precipitazione di fase allo stato solido; - il rateo di raffreddamento, una volta che la sorgente di energia è transitata, è pure importante poiché: a) causa la riduzione delle temperature di trasformazione di fase rispetto ai valori di equilibrio; b) talvolta provoca la totale scomparsa di talune trasformazioni liquido solido o solido solido.

Va inoltre ricordato che non tutta l’energia disponibile alla sorgente viene effettivamente trasferita al materiale da saldare, a causa di perdite. Inoltre, una volta che l’ammontare netto di energia raggiunge il materiale, una ulteriore aliquota viene persa a causa di fenomeni di irraggiamento, convezione e conduzione, andando a riscaldare in modo non voluto la parte circostante, per dar luogo alla cosiddetta zona termicamente alterata. Per valutare gli effetti provocati dal calore sulla fusione e solidificazione del cordone e sulla trasformazione che avviene nella zona termicamente alterata (ZTA) è necessario conoscerne la distribuzione, in quanto quest’ultima influenza:

• efficienza della fusione • ampiezza e natura del riscaldamento periferico • rateo di raffreddamento

L’efficienza della fusione, a sua volta, influenza: • dimensione, forma ed omogeneità del cordone • contrazione termica e distorsioni • suscettibilità ai difetti

La natura del riscaldamento periferico influenza: • sviluppo di sforzi residui termo-elastici che

possono provocare cricche a caldo; • rateo di raffreddamento nella zona solidificata

che controlla i processi di solidificazione e la struttura finale;

• livello di riscaldamento nella ZTA che può provocare il degrado delle proprietà;

• rateo di raffreddamento nella ZTA che determina la struttura e le proprietà in tale zona;

• l’entità e la natura delle distorsioni e degli sforzi residui nel giunto complessivo.

In un processo di saldatura, l’escursione termica tra la temperatura ambiente e la temperatura di liquidus, in termini di temperatura di picco e di tempo impiegato per raggiungerla (detto ciclo termico della saldatura) è completamente responsabile per la microstruttura del materiale e le distorsioni del giunto. In Figura 16.4 sono rappresentati i cicli termici relativi a un generico punto di una saldatura all’arco e di una al fascio elettronico. Per i processi di saldatura a gas la temperatura di picco è più alta di 50-100 °C rispetto a quella di liquidus del materiale; per i processi all’arco e per resistenza è più alta di 100-200 °C, mentre per i processi ad alta densità di energia (fascio elettronico e LASER) può superare la temperatura di ebollizione. Tale sovra-riscaldamento (superheating) è necessario per garantire una completa fusione e una sufficiente fluidità; esso deve però durare un tempo il più breve possibile. Il raffreddamento del cordone e della zona adiacente è molto rapido (molte centinaia di gradi al secondo). Le Figura 16.5 e Figura




16.6 mostrano le storie (bi- e tri-dimensionali) della temperatura nel tempo.

Figura 16.4 - Diagrammi dei cicli termici associati ai punti A, B, C e S per: (a) Saldatura ad arco (b) Saldatura al fascio elettronico.

Figura 16.5 - Andamento bi-dimensionale della temperatura di raffreddamento nel cordone e nelle zone adiacenti alla saldatura. Le curve sono parametrizzate rispetto ai punti A, B, C ed S.

La distribuzione termica attorno ad un cordone di saldatura è governata soprattutto dalla conduzione del calore variabile nel tempo, espressa dall’equazione generalizzata del flusso di calore:

ρCδT/δt = δ/δx k(T)δT/δx + δ/δy k(T)δT/δy +δ/δz k(T)δT/δz – ρC[VxδT/δx + VyδT/δy + VzδT/δz] + Q

ove: x = coordinata lungo il cordone di saldatura y = coordinata ortogonale al cordone di saldatura z = coordinata normale al piano di saldatura T = temperatura del materiale

k(T) = conduttività termica r(T) = densità del materiale C(T) = calore specifico del materiale vx, vy, vz = componenti di velocità della sorgente Q = calore generato internamente

Figura 16.6 - Andamento tri-dimensionale della temperatura di raffreddamento nel cordone e nelle zone adiacenti alla saldatura.

Questa equazione può essere risolta in una, due o tre dimensioni a seconda della morfologia della giunzione (ad esempio la saldatura a piena penetrazione di due lamiere sottili tramite una sorgente mobile in linea retta rappresenta un problema mono-dimensionale). Il problema si complica al complicarsi della morfologia e delle condizioni al contorno, ma può essere risolto in forma analitica sotto queste ipotesi:

• processo stazionario • sistema di riferimento solidale alla sorgente • proprietà indipendenti dalla temperatura

Per una lamiera sottile, la distribuzione spaziale della temperatura attorno alla sorgente vale:

T – T0 = q/2πk exp[-vξ/2α] Κ0 [vR/2α) mentre la distribuzione temporale in un punto vale:

T – T0 = q/v/d(4πkρCt)1/2 exp[-r2/4at) ove: T = temperatura T0 = temperatura iniziale q = calore fornito della sorgente α = diffusività termica






K0 = funzione di Bessel del primo tipo, ordine zero R = (ξ2+y2+z2)1/2 distanza dalla sorgente r = (y2+z2)1/2 d = profondità saldatura = spessore lamiera ξ = (x – vt) x = posizione della sorgente, v =

sua velocità, t = tempo trascorso dal suo passaggio

Per una piastra spessa, la distribuzione spaziale della temperatura attorno alla sorgente vale:

T – T0 = q/2πkd exp[-vξ/2α] exp[−vR/2α)/R mentre la distribuzione temporale in un punto vale:

T – T0 = q/v/2πkt exp[-r2/4αt) La Figura 16.7 mostra tali distribuzioni di temperatura.

Figura 16.7 - Distribuzione spaziale della temperatura attorno ad una sorgente di calore (a) per una piastra sottile, (b) per una piastra spessa.

a che si tem :

(Tp – T0) = (2πe)0,5ρChy/Hnet + 1/(Tm – T0) ve

uò essere ottenuto R:

St = LHnet/2πkρC(Tm – T0)2 ve:

te di individuare la costituzione d

(per lami passate)

(per piastre spesse, saldate con più di 6 passate)

ove:

’alluminio e il diagramma ferro-carbonio degli acciai).

Anche non potendo risolvere l’equazione generalizzata del flusso di calore, a causa della difficoltà dovute alla morfologia ed alle condizioni al contorno, è possibile ottenere stime affidabili di alcune importanti quantità, tramite equazioni semplificate o espressioni empiriche: - temperatura di picco Tp, raggiunta nei punti esterni alla zona fusa, che consente di stimare le dimensioni della zona termicamente alterata per ogni temperatur

e possa essere critica per il materiale base1/

o : Tp = temperatura di picco h = spessore della lamiera y = distanza dal confine della zona fusa Hnet = apporto di calore per unità di lunghezza

Tm = temperatura di fusione del materiale base - tempo di solidificazione St nella zona fusa, da cui p

(reciproco) il rateo di solidificazione

o L = calore latente di fusione del materiale base - rateo di raffreddamento Cr nei punti appartenenti alla zona termicamente alterata, che consen

i microstrutture fragili: Cr = 2πkρC(h/Hnet)2(Tc – T0)2

ere sottili, saldate con meno di 4

Cr = 2πk (Tc – T0)2/ Hnet

Tc = temperatura del punto dove viene calcolato Cr

La soluzione dell’equazione generalizzata del flusso di calore (eventualmente semplificata nei casi di maggior complicazione della geometria) può comunque fornire utili informazioni circa la forma e le dimensioni delle particolari zone microstrutturali, le quali possono anche essere correlate con le trasformazioni di un appropriato diagramma di fase (Figura 16.8a,b mostra rispettivamente il diagramma di una lega binaria d




Figura 16.8 - Correlazione tra la microstruttura delle zone interessate alla saldatura e la relativa trasformazione di fase (a) Diagramma di fase per una lega binaria d’alluminio (b) Diagramma di fase ferro-carbonio degli acciai.

La zona fusa (fusion zone - FZ) rappresenta la porzione di materiale completamente fusa poiché ha superato la temperatura di liquidus. La regione ove il materiale viene riscaldato sotto la temperatura di liquidus, ma sopra la temperatura di solidus è la zona

terata (heat affected zone – HAZ), che

no fondamentali ai

ateriale fuso (weld pool)

di oli e grassi

6.10,Figura 16.11 eFigura 16.12

lla convezione garantisce una buona miscelazione nel cuore della weld pool;

• esiste sempre una zona al margine della weld pool dove non avviene miscelazione a causa dell’assenza di convezione;

• il volume del materiale fuso è piccolo in confronto al volume del materiale circostante che rimane solido, il quale funge da “stampo”;

• la composizione del fuso e dello “stampo” sono compatibili, perché provengono dallo stesso materiale;

• esistono forti gradienti termici all’interno del fuso, che generano sforzi e situazioni di non-equilibrio;

• poiché la sorgente di calore generalmente è in movimento, la solidificazione è un processo dinamico, che dipende dalla velocità della sorgente;

• i gradienti di temperatura e le modalità di solidificazione sono influenzate dai processi che comportano “passate” multiple od il pre-riscaldamento del materiale base.

parzialmente fusa (partially melted zone – PMZ). Al di fuori di questa regione vi è il materiale riscaldato al di sopra della temperatura ambiente, ma sotto la temperatura di solidus: si tratta della zona termicamente ala sua volta può essere divisa in sub-zone, quali la zona di ri-dissoluzione della fase β o la zona di precipitazione della fase β (detta zona di sovra-invecchiamento). Nel seguito le caratteristiche di ciascuna di queste zone vengono trattate in dettaglio: zona fusa – il processo di fusione e ri-solidificazione che avviene entro questa zona sofini delle caratteristiche finali della saldatura. Gli aspetti cruciali della fase di fusione sono:

• il volume di mcontiene ossidi, impurità (cfr. Figura 16.9); esso contiene anche gas intrappolati (aria, prodotti di decomposizionecontaminanti e residui di gas neutri di protezione N, Ar, He)

• il materiale d’apporto è diluito dal materiale base; il processo dipende dall’entità d’apporto termico e dalla forma della preparazione del giunto;

• le dimensioni e la forma della weld pool sono cruciali ai fini del processo di solidificazione e delle caratteristiche finali della saldatura. Le Figura 1mostrano rispettivamente la loro dipendenza da: conducibilità termica, velocità sorgente di calore e spessore lamiera;

• il regime turbolento dovuto a




Figura 16.9 - Impurità e ossidi presenti nel volume di materiale fuso (weld pool).

Per quanto riguarda la fase di solidificazione, gli aspetti fondamentali sono sintetizzati qui di seguito:

• la solidificazione è un processo che comporta dapprima nucleazione e poi crescita del grano, nucleazione indotta dal super-raffreddamento al di sotto del punto di equilibrio di fusione o liquidus e limitata dalla diffusione;

• la nucleazione avviene molto più facilmente se dispone di un substrato solido compatibile con il materiale fuso;

• la crescita dei nuovi cristalli (dendriti, cfr. Figura 16.13), indipendentemente dal fatto che

n e

e direzioni di massimo gradiente termico del materiale fuso;

• la solidificazione di metalli e ceramiche puri cristallini comporta solo la ri-organizzazione degli atomi (che non possiedono un ordine di lungo periodo nel fuso) in una struttura solida (che possiede una struttura cristallina di lungo periodo);

• la solidificazione delle leghe richiede l’aggiustamento delle composizioni tra il liquido ed il solido in contatto (ridistribuzione del soluto), come pure una ri-organizzazione di lungo periodo in una struttura ordinata. Ciò può avvenire in virtù di modi di accrescimento aggiuntivi rispetto a quelli dei materiali puri, controllati dal livello di super-raffreddamento del liquido a monte dell’interfaccia solido-liquido rispetto alla temperatura di liquidus del liquido adiacente all’interfaccia, il quale è arricchito dal soluto che è stato “rifiutato” dal solido appena formato;

to e

caratteristiche ed i difetti della saldatura.

essa avvenga con o senza il contributo di usubstrato, è di tipo competitivo, cioè avviennell

• il meccanismo di solidificazione è il momencruciale, nel quale si originano le proprietà, l

Figura 16.10 - Dipendenza delle dimensioni e della forma della weld-pool nei riguardi della conducibilità termica.

Figura 16.11 - Dipendenza delle dimensioni e della forma della wel- pool rispetto della velocità termica.




Figura 16.12 - Dipendenza delle dimensioni e della forma della wel- pool nei riguardi dello spessore lamiera.

Figura 16.13 - Crescita di nuovi cristalli (dendriti) durante il processo di solidificazione.

zona parzialmente fusa – è la regione immediatamente esterna alla zona fusa, che è stata riscaldata ad una temperatura compresa tra quella di liquidus e quella di solidus della lega. In questa zona il

re la lega d’apporto con la temperatura

materiale base è solo parzialmente fuso e parte di esso è rimasto solido. Tale zona, la cui posizione è mostrata in Figura 16.14 per una ipotetica lega, è meno studiata della zona fusa e della zona termicamente alterata: è noto però che essa è prona alla formazione di cricche a caldo e di alcuni altri tipi di difetto che sono di gran lunga più difficili da controllare attraverso l’ottimizzazione dei parametri di processo. E’ assolutamente consigliabile limitare il più possibile le dimensioni della zona parzialmente fusa, limitando l’apporto di calore alla saldatura. Altri accorgimenti sono:

• minimizzare i vincoli meccanici agenti sulla saldatura per ridurre le forze di trazione che possono provocare cricche;

• selezionare attentamente il materiale base per minimizzare gli elementi residui;

• scegliedi fusione più alta di quella del materiale base, cosicché la completa solidificazione avvenga prima nella zona parzialmente fusa che in quella fusa.

Figura 16.14 - Posizione della zona parzialmente fusa in una saldatura per una ipotetica lega.

zona termicamente alterata – il calore apportato alla saldatura altera la struttura della zona immediatamente adiacente al cordone di saldatura (zona termicamente alterata). L’effetto che si produce e le sue conseguenze dipendono dal meccanismo tramite il quale il materiale base aumenta le proprie caratteristiche, ovvero: - incrudimento: è il meccanismo tipico di tungsten , mo que ne risc peratura di fusione, i grani deformati tendono a nucleare nuovi grani non deformati (ricristallizzazione), dando luogo alle conseguenze mostrate in Figura 16.15; - precipitazione: è il meccanismo tipico delle leghe di alluminio con rame, magnesio e silicio, magnesio e zinco, litio o di acciai inox precipitation hardening – PH o ultra-alto-resistenziali maraging; per questi materiali, nella zona termicamente alterata “più calda”, i precipitati tendono a tornare in soluzione (inversione), nella zona “più fredda” i precipitati tendono ad aumentare le proprie dimensioni e a perdere coerenza con la matrice (sovra-invecchiamento): le conseguenze sono mostrate in Figura 16.16; - trasformazione: alcune leghe ferro-carbonio e acci leg sog i raf li ven stato iniziale ferritico, perlitico o bainitico, diventano intollerabilmente fragili, se sono riscaldati nello stato di martensite temprata assumono resistenza e durezza intollerabilmente basse, come mostrato in Figura 16.17;

olibdeno, alluminio, rame e relative leghe e Monel; persti materiali, quando la struttura incrudita viealdata a temperature del 40-50% della tem

aioati (con cromo, nichel, molibdeno, vanadio) vann

gette a trasformazione martensitiche in caso di ratei dfreddamento super-critici. Quando tali materiagono riscaldati nello




Figura 16.15 - Variazione delle caratteristiche meccaniche (sopra) e fenomeno della ricristallizzazione (sotto) nella zona termicamente alterata a causa dell’incrudimento.

Figura 16.16 - Effetti derivanti dal fenomeno della precipitazione nella zona termicamente alterata nei confronti delle proprietà meccaniche (sopra) e della microstruttura (sotto).

Figura 16.17 - Variazione delle caratteristiche meccaniche (sopra) e effetti sulla struttura cristallina (sotto) nella zona termicamente alterata a causa delle trasformazioni.

- dispersione: negli acciai inossidabili al cromo ed al nichel, di tipo austenitico, ferritico, austenitico/ferritico (duplex) e martensitico, l’alta temperatura propria della zona termicamente alterata promuove la formazione di carburi di cromo, i quali precipitano al bordo grano e riducono la presenza di cromo nella regione adiacente al bordo: questa diventa meno resistente alla corrosione

eccanismo di sensibilizzazione (cfr. Figura 16.18); m

Figura 16.18 - Meccanismo di sensibilizzazione nella zona termicamente alterata a causa del fenomeno della dispersione.

Figura 16.19 - Diagramma dell’andamento tipico delle durezze lungo la sezione trasversale di saldatura.

a (leghe di - soluzione solida: il calore della saldatura non produce effetti sulle leghe indurite per soluzione solidalluminio e magnesio non trattabili termicamente, leghe-α di titanio) e sui metalli e leghe indurite tramite l’aggiunta




di una fase inerte (per esempio alluminio con Al2O3). Le uniche conseguenze possono essere eventualmente l’ingrossamento del grano, che riduce la duttilità. La Figura 16.19 riassume l’andamento tipico delle durezze lungo la sezione trasversale di saldature realizzate su materiali induriti con meccanismi diversi.

16.3 Saldatura a gas a saldatura a gas (o al cannello), meglio definita come OFW (oxyfuel gas welding) nella letteratura

in lingua inglese, è un termine generale usato per descrivere tutti i processi di saldatura che usano un gas combustibile combinato con l’ossigeno (comburente) per produrre una fiamma, che costituisce la sorgente di calore usata per fondere il metallo della giunzione. Il processo più comune usa acetilene C2H2, perciò è den to svi nei lavori di carpenteria metallica e nelle costruzioni

mma. La temperatura sviluppata dalla

scela gassosa (§) è il parametro fondamentale della saldatura ossi-acetilenica:

• se il rapporto è 1:1, la fiamma si dice neutra;

rd, in conseguenza di

ile gestione nei

ominato saldatura ossi-acetilenica. Esso è staluppato all’inizio del ‘900 ed è ampiamente usato

navali e ferroviarie, ma non nel settore aerospaziale, a causa dell’apporto di calore eccessivo (50x106 Jm-3) rispetto ai bassi spessori e basse temperature di fusione dei componenti tipici di questo settore. A causa dei diversi meccanismi di perdita, il fattore di trasmissione del calore è piuttosto basso (f1 = 0,10-0,30). Il calore è generato in conseguenza di due reazioni chimiche. Il processo di combustione primaria, che avviene nella parte interna della fiamma (Figura 16.20):

C2H2 + O2 2CO + H2 + calore Tale reazione dissocia l’acetilene in monossido di carbonio e idrogeno; essa produce circa un terzo del calore totale generato dalla fiamma. Il processo di combustione secondario avviene secondo la reazione:

2CO + H2 + 1,5O2 2CO2 + H2O + calore Questa reazione consiste nell’ulteriore combustione del monossido di carbonio e dell’idrogeno. Tale reazione produce i rimanenti due terzi del calore generato dalla fiafiamma può raggiungere i 3300 °C. Si noti che la combustione secondaria produce calore. La proporzione di acetilene e di ossigeno nella mi

• se C2H2 < O2, la fiamma è ossidante; essa è dannosa specialmente per gli acciai, in quanto li ossida, e utile per il rame e le sue leghe (si forma una pellicola protettiva sul fuso);

• se C2H2 > O2, la fiamma è riducente, la sua temperatura è più bassa: è adatta alla brasatura ed a processi di indurimento superficiale.

Esistono diverse alternative all’acetilene, alcune delle quali sono elencate in Tabella 16.4. Sebbene l’acetilene

rappresenti tuttora il golden standaalcuni suoi inconvenienti3, vengono utilizzati per specifiche applicazioni (quali la saldatura di piccoli spessori o di materiali basso-fondenti) gas come il MAPP (metil-acetilene-propadiene C3H4), che possiede la stesse caratteristiche dell’acetilene, ma è di più fac

riguardi della sicurezza.

Figura 16.20 - Processo di combustione primaria nella parte interna della fiamma.

Ulteriori gas combustibili utilizzati in casi specifici sono l’idrogeno H2, il propano C3H8, l’etano C2H6 ed il metano

er tutti i metalli ferrosi e non-ferrosi, teoricamente per tutti gli spessori. In pratica, a causa dell’apporto termico relativamente basso, gli spessori saldabili sono limitati a 10mm. Con riferimento alla Figura 16.21, i passi tecnologici sono:

• preparare i lembi delle parti da saldare e mantenerne la posizione tramite opportuni fissaggi;

• aprire la valvola dell’acetilene ed innescare la fiamma; aprire la valvola dell’ossigeno e regolare in base in base alle esigenze (§);

i CH4. Indipendentemente dal gas combustibile adottato, s

usano materiali d’apporto in forma di fili o bacchette (di diametro 1-10mm): essi sono costituiti da metallo compatibile con quello da saldare ed eventualmente ricoperto con un agente lussante. Quest’ultimo ritarda l’ossidazione generando un gas protettivo nella zona di saldatura, oltre a rimuovere e dissolvere gli ossidi già presenti sulle superfici da saldare. La saldatura a gas può essere adottata p

3 3 La combinazione di C2H2 e O2 è altamente infiammabile e l’ambiente circostante è perciò pericoloso. C2H2 è privo di colore e di odore: per questioni di sicurezza essa viene additivata in modo da assumere il caratteristico odore di aglio. Tale gas è instabile a pressioni molto superiori all’atmosferica, quindi le bombole sono riempite con materiali porosi (legno di balsa) saturati con acetone (CH3COCH3), nel quale l’acetilene si dissolve, con rapporto 25:1. Gli operatori devono indossaindumenti protettivi e vengono messi in atto stringenti accorgimenti per evit la sald co cos solo a piccole produzioni e spessori non superiori ai 10mm.

L

re

are la commistione accidentale di C2H2 e O2. Nonostante tutto ciò,atura ossi-acetilenica è molto popolare, essendo un processo po

toso, versatile, portatile, adatto però




• mantenere il cannello a 45° rispetto al piano della saldatura, la bacchetta del materiale d’apporto a 30°-40° e la parte interna della fiamma a contatto col materiale da saldare;

• mettere a contatto la bacchetta del materiale d’apporto con la giunzione; controllare il moto del cannello e della bacchetta in relazione al grado di fusione e di riempimento del cordone

Tabella 16.4 - Alcune proprietà per i gas usati alternativamente all’acetilene nella saldatura a gas.

Esiste un’accezione particolare della saldatura a gas, che va sotto il nome di saldatura a gas a pressione. Questo è un processo di saldatura per fusione nel quale viene ottenuta la coalescenza del materiale sulle intere superfici delle parti da saldare, dapprima scaldandole per mezzo della fiamma del cannello ossi-acetilenico, poi si ritira il cannello, ed infine si applica la pressione necessaria ad unire le superfici. Non è necessario filler.

Figura 16.21 - d lo (b) Zona di miscelamento scelto per la saldatura (c) Parti costituenti l’attrezzatura.

16a saldatura all’arco è un processo di saldatura per fusione nel quale si ottiene la coalescenza del metallo

tramite il calore generato da un arco elettrico tra un elettrodo ed il pezzo da saldare. Nel settore aerospaziale, assieme alla saldatura per resistenza, esso rappresenta la metodologia più popolare, in quanto adatta a materiali basso fondenti (leghe di alluminio) e a componenti esili e sottili con ridotta massa termica. L’arco è sostenuto da una colonna di gas ionizzato termicamente, attraverso la quale fluisce la corrente. Si producono temperature sino a oltre 5000 °C, sufficienti a fondere qualsiasi metallo. In

monte ell’elettrodo stesso man mano che esso si muove. Il

anuale o automatizzato. La

Sal atura a gas (a) Canneldell’ossigeno con il gas

.4 Saldatura all’arco

prossimità dell’elettrodo si forma un zona di metallo base + metallo d’apporto fusi, che si solidifica a dprocesso può essere mproduttività si misura in:

tempo arco = periodo in cui l’arco è attivo / ore lavorate

tale parametro vale 0,20 per la saldatura manuale e 0,50 per quella automatica. Esistono molte differenti accezioni della saldatura all’arco aventi però in comune alcuni aspetti fondamentali: - elettrodi: che possono essere: a) consumabili, quando forniscono anche il materiale d’apporto: consistono in bacchette (lunghezza 225-450mm, diametro 9-18mm) o fili continui; le prime hanno lo svantaggio di dover essere periodicamente sostituite; b) non consumabili, realizzati in tungsteno o carbone; essi si consumano per vaporizzazione e richiedono materiale d’apporto; - atmosfera protettiva: per evitare l’ossidazione del metallo, reattivo ad alta temperatura, la zona di saldatura viene protetta con un’atmosfera di gas inerte (argon, elio o, meno frequentemente, anidride carbonica); - flussante: per evitare l’ossidazione e contaminazione si usano anche flussanti (in forma di granuli o paste) che si liquefano e formano una crosta protettiva, che viene essere rimossa meccanicamente in un secondo tempo; - b ’arco pos

trasmissione f1 rispetto alle tipologie di saldatura all’arco.

L

ilancio delle potenze: le tecniche di saldatura allsono usare sia corrente alternata (maggior facilità

d’utilizzo, impianti meno costosi, ma limitati alle leghe ferrose) o corrente continua. I parametri tecnologici di base sono comunque la tensione V e la corrente I, il cui prodotto dà la potenza generata, che deve poi venir ridotta da: perdite di trasmissione f1 (cfr. Tabella 16.5) e perdite di fusione f2 per ottenere la potenza realmente disponibile RHw, da eguagliare alla potenza necessaria alla fusione, data dal prodotto dell’area del cordone di saldatura Aw per la velocità v di saldatura e dall’energia vol. specifica Um necessaria alla fusione:

RHw = f1f2VI = UmAwv

Tabella 16.5 - Valori tipici per il coefficiente di perdita di




Nel seguito vengono trattati con maggior dettaglio le diverse tecniche, divise in base al tipo di elettrodo: - elettrodi consumabili: elettrodo metallico protetto – è costituito (Figura 16.22) da un metallo d’apporto compatibile col metallo base e rivestito da cellulosa e carbonati con unlegante siliceo; il rivestimento fonde e fornisce l’at , le tla tecnica non è usata per le leghe di alluminio e titanio in quanto, durante l’operazione, l’elettrodo si consuma e varia la propria resistenza, cosicché il parametri elettrici devono essere mantenuti entro valori limite di sicurezza, il che riduce la densità di potenza disponibile

mosfera protettiva. Le correnti sono tra 30 e 300Aensioni da 15 a 45V;

Figura 16.22 - Saldatura con elettrodo metallico protetto.

elettrodo metallico e atmosfera protettiva (MIG)4 – in questo caso l’elettrodo consumabile è costituito da un filo (diametro 0,8-6,5mm) in metallo nudo (fornito con continuità), che costituisce il metallo d’apporto, mentre l’atmosfera protettiva deriva da un flusso di gas (neutri argon o elio leghe d’alluminio e acciai inox, oppure anidride carbonica acciai al carbonio). Il processo (cfr. Figura 16.23) è molto conveniente, in quanto si presta all’automazione, è caratterizzato da un elevato tempo arco e non lascia residui di flussante da rimuovere; elettrodo metallico con cuore flussante – esso consiste in un tubo metallico consumabile di piccolo diametro conferito con continuità, il quale fornisce il materiale

4 MIG è l’acronimo di M.etallic I.nert G.as

d’apporto e contiene flussante e sostanze disossidanti. Se, oltre a queste, è contenuta anche una sostanza che genera l’atmosfera protettiva, si parla di tecnica auto-protetta; se l’atmosfera proviene da un flusso esterno di gas, allora si parla di tecnica gas-protetta Figura 16.24;

Figura 16.23 - Saldatura con elettrodo metallico e atmosfera protettiva (MIG).

Figura 16.24 - Saldatura con elettrodo metallico con cuore flussante auto-protetta.

arco sommerso – l’elettrodo è costituito da un filo continuo di metallo nudo (metallo d’apporto), mentre pro rtura di flussante di tipo granulare distribuito da una tramoggia

latezione dell’arco è fornita da una cope

immediatamente a monte dell’arco (Figura 16.25). Tale copertura protegge altresì da scintille e radiazioni e riduce il pericolo per gli operatori. Parte del flussante fonde e svolge la sua funzione primaria, parte rimane non fusa, serve da isolante termico ( si hanno ratei di raffreddamento più lenti) e può essere recuperata. La tecnica non è adatta per leghe non ferrose e può essere applicata solo per saldature piane ed orizzontali;

Figura 16.25 - Saldatura ad arco sommerso.




electrogas – è una tecnica che fa uso di un elettrodo consumabile (protetto o con flussante nel cuore), usata principalmente per effettuare saldature verticali di testa (Figura 16.26). Il materiale che costituisce il cordone di saldatura è mantenuto nel meato tra le due parti da saldare tramite due dighe di rame raffreddate ad acqua; tali dighe vengono mosse automaticamente verso l’alto dalla macchina di saldatura man mano che il cordone si solidifica (per chiarezza, nella figura, sono omesse le due lamiere da saldare, il cui piano medio è normale al piano della pagina). L’atmosfera protettiva può essere fornita da un flusso di gas o dalle sostanze contenute nel cuore dell’elettrodo. I parametri tipici possono essere: corrente 400-750A, potenze minime 20kW per saldare spessori (di tutti i metalli) da 12 a 75mm;

Figura 16.26 - Saldatura di tipo electrogas.

electroslag – si tratta di una tecnica molto simile alla precedente (Figura 16.27): la sola differenza risiede nel dell’elettrod delle parti da saldare.

fatto che l’arco è innescato tra l’estremitào ed il fondo

Quando il livello del flussante raggiunge l’estremità dell’elettrodo, l’arco si estingue ed il calore continua ad essere generato per resistenza. I parametri tecnologici tipici sono: corrente 600A, tensione 40-50V, velocità di saldatura 12-36mm/min, spessori saldabili 50-900mm; - elettrodi non consumabili: elettrodo in tungsteno e atmosfera protettiva (TIG)5 – l’elettrodo non si consuma, mantiene la sua lunghezza:

5 TIG è l’acronimo di T.ungsten I.nert G.as

ciò garantisce una lunghezza stabile dell’arco ed un valore costante della corrente. Il materiale d’apporto è fornito da un filo continuo, senza l’uso di lussante e l’atmosfera protettiva è costituita da argon, elio o da una miscela dei due (Figura 16.28).

Figura 16.27 - Saldatura di tipo electroslag.

Figura 16.28 - Saldatura con elettrodo in tugsteno e atmosfera protettiva (TIG).

Le potenze necessarie sono dell’ordine di 8-20kW. In dipendenza del tipo di metallo da saldare, la corrente può essere continua (200A) o alternata (500A). Quest’ultima è da preferirsi per la saldatura di alluminio e magnesio, in quanto la sua natura è tale da eliminare gli ossidi. Gli elettrodi di tungsteno vengono additivati con torio o zirconio per migliorarne l’emissività di elettroni. Per evitare la contaminazione con residui di tungsteno, il cordone non deve mai entrare in contatto con l’elettrodo. Questa tecnica è par e adatta per saldare componenti sottili in alluminio, magnesio, titanio e metalli

ticolarment




refrattari. Si ottengono saldature caratterizzate da buo ale ed ottime prestazioni meccaniche; perci costelet forma più antica

’atmosfera che da

e di un

8Al + 3Fe3O4 9Fe + 4Al2O3 + calore nge i 2300 °C. Si

r-riscaldato contenuto in un pra della l metallo

ontenuto localmente

na finitura superficiò tale tecnica è adottata nelle

ruzioni aerospaziali; trodo in carbone – rappresenta la

di questo tipo di tecnica, quando l’elettrodo è in grafite; non più usata, se non come fonte di calore per le saldo-brasature e per la riparazione di componenti in ghisa; idrogeno atomico – l’arco si innesca tra due elettrodi di tungsteno o di grafite, cosicché le parti da saldare non fanno parte del circuito elettrico. Lprotettiva è costituita da idrogeno, che funge anfluido di raffreddamento degli elettrodi. - saldatura Thermit: è il nome commercialprocesso che utilizza una sostanza (la termite) costituita da polvere di alluminio e ossido di ferro che produce un processo esotermico quando viene innescata. Essa veniva utilizzata anche per produrre bombe incendiarie. La termite, se innescata a temperature di circa 1300 °C, dà luogo alla seguente reazione chimica (30 sec. circa):

la temperatura che ne deriva raggiuottiene così metallo supecrogiolo (cfr. Figura 16.29) posto al di sozona di saldatura: il crogiolo viene aperto, ifluisce nella zona di saldatura (cda uno stampo distruggibile) a temperatura sufficientemente elevata da fondere i lembi delle parti da saldare e da causarne la coalescenza dopo la solidificazione. Con questo metodo vengono saldate le rotaie ferroviarie.

Figura 16.29 - Saldatura Thermit. (1) Posizionamento del crogiolo contenente il metallo super-riscaldato (b) Immissione del metallo di apporto nello stampo distruggibile (c) Fusione e solidificazione dei lembi delle parti da unire.

16.5 Saldatura per resistenza a saldatura per resistenza costituisce una categoria di processi che traggono il calore necessario per la

saldatura dalla resistenza elettrica dei due componenti che devono essere collegati. La coalescenza avviene

non richiedono elettrodi consumabili, agenti flussanti ed atmosfere protettive. Il calore H generato nelle saldature per resistenza vale:

H = KI2Rt ove:

poi grazie all’applicazione di un’opportuna pressione.

I = corrente elettrica R = resistenza elettrica totale t = durata del flusso di corrente

La quantità di calore effettivamente disponibile per la saldatura si ottiene moltiplicando tale espressione per il coefficiente K (sempre < 1) che tiene conto delle perdite per convezione e per conduzione. La resistenza elettrica totale (per esempio nel caso della saldatura per punti) è data dalla somma dei seguenti contributi:

• resistenza intrinseca degli elettrodi; • resistenza di contatto elettrodi/lamiere; • resistenza intrinseca delle lamiere; • resistenza di contatto lamiera/lamiera.

La reale temperatura raggiunta nella giunzione dipende dal calore specifico e dalla conducibilità termica del metallo da saldare: poiché l’alluminio utilizzato nelle cos tàter a sal resistenza consente di realizzare giunti omogenei o eterogenei. Tipici parametri elettrici sono:

Vengono usati valori molto elevati della corrente per sfruttare il termine al quadrato e per compensare i bassi valori della resistenza. Per ottenere la massima temperatura (e quindi la saldatura) nella zona voluta, si realizzano gli elettrodi di rame con grande sezione, mentre si sfrutta il fatto che il contatto tra le lamiere avviene solo attraverso le asperità della loro superficie reale (e quindi attraverso una sezione molto ridotta). Le apparecchiature non sono portabili; la tecnologia, essendo altamente automatizzabile e robotizzabile, è particolarmente adatta alle grandi serie produttive. sal il pro te in questa categoria: costituisce il metodo standard per l’assemblaggio delle scocche

Tali processi possiedono svariati vantaggi, in quanto

truzioni aerospaziali possiede un’alta conducibilimica, esso richiede un’elevata densità di potenza. Ldatura per

• corrente: 10.000-100.000A • tensione 0,5-10V • tempo del flusso di corrente 0,1-0,4s • resistenza totale 0,0001Ω

datura per punti – esso rappresenta di gran lunga cesso predominan

automobilistiche6, ma, quel che più conta, rappresenta l’unica tecnica di saldatura adottata nelle costruzioni aeronautiche, in quanto la sola applicabile alle leghe di impiego strutturale 2xxx e 7xxx (rispettivamente al rame

6 La scocca di un’automobile di medie dimensioni reca circa 10.000 punti di saldatura per resistenza.

L




ed allo zinco). Nella saldatura per punti, l’estremità degli elettrodi solidi (rame o lega refrattaria) entra in contatto con le lamiere (spessore max. 3mm) disposte a sovrapposizione, con la sequenza e le storie temporali di forza e corrente mostrate in Figura 16.30). La forma e le dimensioni del bottone di saldatura dipendono dagli elettrodi: in genere sono circolari di diametro 5-10mm con ridottissima zona termicamente alterata. Gli elettrodi vanno soggetti ad una certa usura e talvolta sono raffreddati internamente.

Figura 16.30 - (a) Fasi successive in una operazione di saldatura per punti. (b) Sequenza e storie temporali di forza e corrente.

Gli elettrodi possono essere montati su di una macchina (Figura 16.31) manuale, (elettrodo inferiore fisso, superiore mobile) oppure su presse automatizzate. Di norma la macchina è statica e le lamiere vengono movimentate; quando ciò è impossibile vengono utilizzate attrezzature portatili;

Figura 16.31 - Schema di una macchina manuale per la saldatura per punti.

saldatura a cordone – si tratta di una modifica della

sostituendo gli elettrodi cilindrici statici con elettrodi a ruota, cfr. Figura 16.32. Viene usata corrente alternata: gli elettrodi producono un bottone di saldatura ogniqualvolta il ciclo di corrente raggiunge un livello sufficientemente elevato. Di fatto, tali bottoni si sovrappongono in modo da ottenere un cordone continuo (dando luogo ad una giunzione tenuta7, adatta a produrre serbatoi). Solo con corrente intermittente si ottiene una serie di bottoni discreti. Tipiche velocità di saldatura sono 1-2m/min;

tecnica di saldatura per punti, che si ottiene

Figura 16.32 - Saldatura a cordone. (a), (b) e (c) Alcuni esempi di applicazione (d) Esempio di giunzione a tenuta per un serbatoio.

saldatura ad alta frequenza – tale processo è simile alla tecnica descritta sopra: la sola differenza risiede nell’elevata (450Hz) frequenza di corrente. Il processo viene adottato per produrre tubi (Figura 16.33) o travi IPE e HPE saldando (per induzione) la solette con le flange;

Figura 16.33 - Saldatura ad alta frequenza per la realizzazione di tubi. Si notino in (a) e (b) la diversa forma degli elettrodi.

saldatura con proiezioni – in questo processo viene indotta una forte resistenza elettrica al contatto tra le parti da saldare tramite delle protuberanze o proiezioni (Figura 16.34) in cui corrispondenza l’area della sezione è molto ridotta e la resistenza molto elevata. Gli elettrodi di rame sono larghi e piatti: si ottengono bottoni simili a quelli della saldatura per punti. Con questa tecnica di saldano dadi, viti e cerniere alle lamiere e si producono altresì le

7 Da notare che, al contrario, la saldatura per punti vera e propria non garantisce la tenuta idraulica e pneumatica.




cosiddette reti elettrosaldate per la protezione dal fulmine delle strutture aeronautiche non conduttive in legno o composito con fibra di carbonio (cfr.Cap.57);

Figura 16.34 - Saldatura con proiezioni. (1) Si portano a contatto i pezzi da unire tramite le proiezioni (2) Saldatura tramite l’applicazione di una opportuna tensione elettrica/forza.

saldatura “flash” – in questo caso il calore è generato da un arco elettrico quando le estremità di due membri iniziano a entrare in contatto, sviluppando la resistenza elettrica del giunto (Figura 16.35). Allorché il materiale ha raggiunto la temperatura di rammollimento, è applicata una pressione (upset welding) che genera la saldatura definitiva: in questo momento si produce una cascata di scintille (flash) con cui vengono espulsi anche ossidi e contaminanti. Le potenze richieste sono dell’ordine dei 10-1500kVA, che permettono giunzioni testa-a-testa (barre diametro max. 75mm) o bordo-a-bordo (lamiere spessore max. 25mm) anche di materiali eterogenei;

Figura 16.35 - Saldatura “flash”. (1) Avvicinamento delle parti da saldare fino al contatto Arco elettrico (2) Applicazione di una pressione (upset-welding) per la generazione della saldatura.

sal le alla a pro isce come un elettrodo mentre viene collegato all’altra parte, in genere una

millisecondi). Se, anziché utilizzare un trasformatore, la necessaria potenza elettrica viene accumulata in un

datura con perno – si tratta di una tecnica simi precedente. Il perno, che può essere untuberanza o una staffa, ag

lamiera. Viene utilizzato un anello ceramico allo scopo di concentrare il calore, prevenire l’ossidazione e mantenere in situ il metallo fuso (Figura 16.36). Il tempo ciclo è molto breve (dell’ordine di 1-6

condensatore, allora si ha la saldatura a percussione, nella quale la potenza viene rilasciata in 1-

10millisecondi per sviluppare la necessaria quantità di calore in prossimità della giunzione tale tecnica è consigliabile quando non si vogliano riscaldare le parti adiacenti (per esempio componenti elettronici).

Figura 16.36 - Saldatura con perno. (a) Avvicinamento del perno alla lamiera (b) Arco elettrico per la fusione del materiale (c) Riavvicinamento/posizionamento finale del punzone rispetto alla lamiera (d) Saldatura

16.6 Saldatura per attrito a saldatura per attrito è un processo commerciale largamente usato, adatto ad essere automatizzato.

Esso venne sviluppato nell’(ex)Unione Sovietica ed introdotto negli Stati Uniti negli anni ’60. Si tratta di un processo non-fusion (allo stato solido) nel quale la coalescenza del materiale è ottenuta grazie al calore generato per attrito combinato con pressione. L’attrito è

e assiale deforma il

entualmente presente sulle

ottenuto per sfregamento meccanico tra le superfici, generalmente derivante dalla rotazione di una parte rispetto all’altra, che aumenta la temperatura sino al campo di lavorazione a caldo del metallo coinvolto; poi le parti sono premute l’una contro l’altra con una forza sufficiente per generare un legame metallurgico; la sequenza è mostrata in Figura 16.37, relativamente alla saldatura di due parti cilindriche8 (che rappresenta la tipica applicazione). La compressionmateriale e crea una bava circonferenziale: ogni film contaminante superficiale evsuperfici a contatto viene così espulso e poi eliminato quando la bava viene asportata per successiva tornitura.

Figura 16.37 - (a) Fasi successive di una saldatura per attrito addotta a due parti cilindriche (b) Forma del cordone di saldatura in funzione del valore della pressione/velocità di rotazione

8 Si veda anche la tecnica produttiva dei ribattini in doppia lega di titanio (Ti-Al-V) e (Ti-Cb) trattata nel Cap.17: Giunzioni discontinue dei materiali metallici.

L




Se ben eseguita, la saldatura per attrito non provoca

o viene raggiunta la temperatura di voro, la rotazione è bloccata istantaneamente e nel

dalle dimensioni dei pezzi da saldare); - lineare: l’interfaccia delle due parti da collegare è caratterizzata da moto lineare alterno, cosicché le parti non devono necessariamente avere sezione circolare o tubolare. Possono essere collegati tutti i tipi di metallo, con dimensioni della sezione delle parti da saldare fino a 20x50mm. Parametri tipici (per la saldatura di parti in titanio con sezione 240mm2) sono: ampiezza del moto -/+2mm, frequenza 25Hz e pressione 100 MPa. Nel caso delle tecniche per rotazione possono essere saldati barre solide di diametro sino a 100mm e tubi con locità periferiche sino a 900m/min. Si possono saldare praticamente tutti

ntro l’ossidazione; processo

e

he la saldatura per rullatura a caldo (riscaldo preliminare).

gono sinteticamente trattate alcune

f fperciò la fusione). La tecnica è adatta alle saldature eterogenee (lamine bim stremità saldante può

sostituita da un disco rotante per produrre giunzioni a cor i da collegare

1fusione alcuna e quindi, in genere, non sono richiesti materiale d’apporto, flussante ed atmosfera protettiva. Esistono tre diverse tecniche di generazione d’attrito: - in continua: una parte è messa in rotazione a velocità angolare costante e poi portata a contatto con la parte stazionaria, in maniera da generare l’attrito ed il calore; quandlacontempo le parti sono premute fortemente, a generare la giunzione; - per inerzia: l’energia necessaria al riscaldamento per attrito deriva dall’energia cinetica di un volano. Esso viene accelerato alla velocità opportuna, le due parti sono portate a contatto ed è applicata una forza assiale. Allorché le forze d’attrito all’interfaccia rallentano il volano, la compressione assiale viene incrementata. La saldatura è completata quando il volano si ferma. La giusta tempistica di questa sequenza è fondamentale per la buona riuscita dell’operazione. Il momento di inerzia del volano può essere modificato per ottenere diversi livelli di energia (che dipendono dal materiale e

diametro sino a 250mm con ve

i metalli e possono essere effettuate anche giunzioni eterogenee, con limitate zone di alterazione termica. Altre tecniche di saldatura non-fusion (allo stato solido) che è interessante menzionare sono: - saldatura per forgiatura: le parti vengono riscaldate e poi unite per martellamento; - saldatura a caldo per pressione: la pressione e la temperatura derivano dall’operare in autoclave, spesso in atmosfera protettiva codi impiego aerospaziale; - saldatura a freddo: non vi è apporto esogeno di calore; le parti, con superfici assolutamente piane, lisce e pulite, sono premute in una pressa. Ldeformazioni, che possono raggiungere il 50%, provocano notevole aumento di temperatura - saldatura per rullatura (a freddo): come per lasaldatura a freddo, ma la pressione è fornita da coppie di rulli contro-rotanti (cfr. laminazione). Si ottengono lamiere placcate e lamine bimetalliche. Esiste anc

6.7 Altri processi di saldatura el seguito ventecniche di saldatura le quali, a rigor di termini,

sarebbero potute rientrare nelle categorie generiche presentate sopra, ma che meritano di essere messe in particolare evidenza grazie al loro grado di innovatività o al particolare interesse per le costruzioni aerospaziali: ad ultrasuoni – in tale tecnica le superfici accoppiate sono soggette ad una forza normale statica e ad una forza tangenziale oscillante, applicata da un attuatore (Figura 16.38) con una frequenza di 10-75KHz. Gli sforzi di taglio rompono lo strato di ossido e producono deformazioni plastiche all’interfaccia, generando una temperatura compresa tra 0,3T e 0,5T (non avviene

etalliche); l’eessere

done continuo quando una delle due part sia una lamiera;

Figura 16.38 - Saldatura ad ultrasuoni.

electron beam welding – la saldatura a fascio di elettroni è un processo per fusione sotto vuoto che si caratterizza per il ridotto volume di materiale fuso coinvolto nella realizzazione del giunto, in virtù degli alti valori di energia specifica ottenuti (> 105 Wmm-2). Ciò dipende dal principio fisico su cui si basa tale processo di saldatura, ovvero la trasformazione dell’energia cinetica degli elettroni in energia termica all’impatto con i materiali da fondere e collegare. Da ciò consegue altresì che:

• l’elevata velocità di saldatura ed il ridotto volume di materiale coinvolto nella fusione fanno sì che l’energia termica si propaghi in prossimità del giunto solo entro stretti limiti;

• la geometria del cordone di saldatura è stretta e caratterizzata da fianchi paralleli; la zona termicamente alterata è di limitata estensione;

• i valori di contrazione dopo il raffreddamento e le distorsioni sono di entità trascurabile;

N




• la fusione del materiale, poiché avviene in condizioni di vuoto di 10-2-10-5 Torr è esente dall’inclusione di ossidi e di contaminantiambientali.

Il fascio di elettroni viene generato entro una camera cilindrica evacuata per mezzo di un sistema a triodo. Il catodo, reso incandescente (circa 2600 °C) emette elettroni che vengono accelerati in direzione dell’anodo di forma anulare, con potenziale a massa. Il catodo è circondato da un elettrodo ausiliario concavo (l’anello di Wehnelt), che rispetto al catodo ha un potenziale negativo regolabile. Con l’ausilio di tale anello, gli elettroni emessi dal catodo vengono convogliati in un fascio leggermente divergente. Dopo aver attraversato l’anodo, il fascio di elettroni passa attraverso una o più lenti magnetiche, per mezzo delle quali è focalizzato sul giunto da saldare, in maniera da avere una densità di potenza PD espressa come:

PD = f1EI/A ove:

f1 = fattore di trasferimento del calore (0.8-0,95) E = voltaggio di accelerazione I = intensità di corrente

0-3-

saldatura electron beam (mostrato in

e;

ione del cordone di saldatura

e, contornato

a

La na

i e trascurabile ritiro.

A = area di focalizzazione del fascio (1 102mm2)

L’impianto per laFigura 16.39) è costituito da:

• camera cilindrica (cannone) di emission• camera di saldatura dotata del sistema per la

movimentazione pezzi; • impianto di evacuazione aria per cannone e

camera; • consolle esterna di controllo.

Il processo di formazcomporta il riscaldamento istantaneo, la fusione e la parziale vaporizzazione del materiale, in conseguenza della piccola superficie colpita (e della grande densitàdi energia). L’elevata pressione di vapore spinge il materiale al di fuori del foro prodotto ed il fascio elettronico penetra più profondamente. Si forma così, con estrema rapidità, un foro capillare che si propaga velocemente verso l’interno del materialda una parete più o meno cilindrica di materiale fuso. Il calore sprigionato viene trasmesso per conduzione nel materiale adiacente in quantità minima, dato che la velocità di propagazione del calore è minore della velocità di apporto di energia del fascio elettronico. Lprofondità di penetrazione è una funzione diretta sia della potenza specifica (che incide sulla profondità), sia del tempo di interazione (che influisce sull’estensione della zona termicamente alterata). zona fusa, di ridotte dimensioni, unitamente ad u

conformazione a facce parallele, permette di ottenere pezzi con ridotte distorsion

Figura 16.39 - Impianto per la saldatura electron beam.

I vantaggi sono: • il vuoto in cui si opera allontana dal materiale i

contaminanti volatili ed i gas disciolti; • l’elevato livello di potenza (fino a 100kW)

consente un’elevata velocità di esecuzione (fino a 12m/min) ed una saldatura in una sola “passata” (da pochi decimi di mm a 400mm);

• l’apporto di calore molto localizzato comporta minime alterazioni della struttura adiacente alla zona fusa;

• il rapido scambio termico in un’area molto ristretta genera deformazioni nulle o limitate;

nel catodo, nel gas neutro e nell’energia elettrica;

• il rendimento energetico dell’impianto è molto elevato (50%-75%) a seconda dell’impianto;

• possono essere saldati spessori differenti (fino a

• non occorre metallo d’apporto perché i lembi vengono preparati in modo che le parti siano a contatto; talvolta la saldatura viene alimentata con un filo di materiale adatto a migliorare le qualità metallurgiche del giunto;

• i materiali di consumo consistono solo

150mm) senza necessità di simmetria, con rapporti tra la profondità e la larghezza di 10:1




• possono essere saldati materiali eterogenei; • la crescita del grano è limitata grazie al

limitato scambio termico; • il processo può essere automatizzato al 100%.

La saldabilità con fascio elettronico dei metalli di uso aerospaziale è sintetizzata nella Tabella 16.6:

Tabella 16.6 - Saldabilità dei metalli per applicazioni aerospaziali con la tecnica del fascio elettronico.

Acciai al carbonio ben saldabili solo quelli con tenore di C < 0,2-0,3%

Acciai legati - ben saldabili quelli da cementazione - difficilmente saldabili quelli da bonifica

Acciai inossidabili - estremamente fragili nel cordone quelli ferritici - di eccellente saldabilità quelli austenitici

Leghe di alluminio buone caratteristiche del giunto anche senza necessità di trattamenti termici; difficoltà con le leghe al Mg e Zn

Leghe di rame - ben saldabile il rame puro ed il bronzo (Cu-St) - non saldabile l’ottone (Cu-Zn)

Leghe di nickel difficilmente saldabili le superleghe; serve un foglio di Co come materiale d’apporto per avere buoni risultati

Leghe di titanio ben saldabili, senza problemi di reattività

al LASER – si tratta di una tecnica che sfrutta un raggio luminoso coerente e monocromatico9, costituito da un fascio di fotoni identici ottenuto da transizioni stimolate di elettroni verso livelli energetici inferior(LA d emun mezzo posto tra gli specchi semiriflettenti di un

all’interno del ris continuano ad aumentare il contenu del mezzo. Quando

i SER significa light amplification by stimulate

ission of radiation). L’apparecchiatura consiste in

risuonatore ottico. Quando il mezzo è eccitato con un’adeguata lunghezza d’onda, gli atomi saltano su livelli energetici superiori e emettono energia sotto forma di fotoni che, riflessi avanti ed indietro

uonatore otticoto energetico

quest’ultimo raggiunge il punto di oltre il quale l’energia guadagnata per l’amplificazione supera l’emissione di ritorno (soglia), si ha l’emissione da parte dell’apparecchiatura di un raggio luminoso, che deve essere coerente per poter essere focalizzato e dar luogo ad elevate densità energetiche (Figura 16.40). La saldatura LASER è un processo per fusione, che produce la coalescenza del materiale grazie al calore sviluppato dal raggio. In generale non è richiesto materiale d’apporto, ma un’adeguata schermatura di gas inerte previene l’ossidazione del bagno. Attualmente esistono due tipi di sistemi, che si differenziano principalmente per il mezzo usato:

• LASER a stato solido, in cui l’emettitore è costituito dalle impurità di neodimio (Nd) contenute in cristalli di vetro o di YAG (neodimium-doped: yttrium aluminum garnet), non più utilizzato a causa dei problemi di raffreddamento e di basso rendimento di conversione energetica globale (2%);

9 In cui tutte le onde sono in fase (coerente) e caratterizzate da una strettissima banda di frequenza (monocromatico).

sa • LASER a gas, in cui l’emettitore è costituito da

molecole di CO2 contenute in una miscela gassocon elio e azoto al 95%. I LASER a CO2 hanno un rendimento energetico del 10%.

Il raggio deve poter essere focalizzato per ottenere alte densità energetiche e cordoni stretti.

Figura 16.40 - Schema di un apparato per la generazione di un fascio LASER.

Per un LASER di lunghezza d’onda λ nota, conoscendo la focalizzabilità K, la distanza focale f della lente ed il diametro iniziale dr del raggio, si ottiene il diametro minimo df di focalizzazione:

df = K(f/dr)λ sono quindi preferibili piccole lunghezze d’onda e distanze focali ridotte per ottenere grandi densità di potenza e di energia. Quando tale valore raggiunge i 1000Wmm-2, il raggio può essere utilizzato per saldare. Il metodo più diffuso è il keyhole welding (Figura 16.41), dove l’energia immessa dal raggio, molto superiore a quella dispersa per conduzione, alza la temperatura locale del metallo, che vaporizza lungo una colonna circondata dal metallo fuso. Una parte del metallo vaporizzato viene ionizzato e, diventando plasma, inizia ad attenuarlo. E’ allora necessario allontanarlo tramite la soffiatura laterale di elio, spillato dal sistema di gas inerte che alimenta l’atmosfera protettiva del bagno. In dipendenza del metallo e della densità di potenza, si possono ottenere rapporti di penetrazione (spessore lamiera/diametro del raggio) superiori a 10. Si possono altresì ottenere saldature per trasparenza: focalizzando il raggio sulla superficie di giunzione, anche se questa non è in evidenza,

si poss oapp ra per produzione di profili a cella chiusa senza ricorrere

ono ottenere giunzioni localizzate con un minimorto termico ai pezzi in superficie. Tale procedumette ampie semplificazioni realizzative, come la

all’estrusione.




La massima profondità della saldatura LASER è 25mm con rapporti profondità/larghezza dell’ordine di 4-10:1. La velocità di saldatura può variare da 2,5 a 80m/min in dipendenza dello spessore; la tecnica è applicabile a tutti i metalli di uso aerospaziale (leghe di alluminio e titanio, acciai, superleghe e metalli refrattari.

Figura 16.41 - Saldatura al laser: keyhole welding. Zone caratteristiche in una saldatura al LASER.

al plasma – il plasma è una corrente di gas fortemente ionizzato avente temperature ben superiori ai 5000 °C; si tratta cioè di un gas costituito da ioni ed elettroni liberi. Esso può essere guidato tramite campi magnetici ed anche “strozzato” in modo da concentrare grosse quantità di calore su piccole superfici. Nel cannello al plasma, protetto da atmosfera inerte, si crea un arco elettrico tra un elettrodo refrattario (catodo) e l’anodo, il quale può essere l’anello formante l’ugello terminale (arco soffiato) oppure il pezzo stesso: il getto di plasma è allora completamente percorso da corrente con alto trasferimento termico (arco trasferito), cfr. Figura 16.42.

Figura 16.42 - Tipologie di saldatura al plasma: arco soffiato (a sinistra), arco trasferito (centrale). Dalla figura a destra si evincono le parti costituenti l’arco.

Si adotta l’uno o l’altro metodo a seconda che si voglia ottenere la massima energia a livello del pezzo o dell’ugello. Di norma di usa l’arco trasferito, lasciando l’arco soffiato ai piccoli spessori o ai materiali elettricamente isolanti. Rispetto alla saldatura TIG, il plasma ha il vantaggio di produrre un getto cilindrico: l’area di riscaldamento, come pure l’intensità, sono quindi costanti anche se la lunghezza dell’arco cambia a causa dei movimenti della torcia. Il processo TIG presenta invece un arco conico: di conseguenza la superficie riscaldata, come pure il calore trasferito, variano con il quadrato della lunghezza dell’arco (Figura 16.43). La lunghezza d’arco per le saldature al plasma è dell’ordine dei 6-7mm, contro i 50-60mm della tecnica TIG. Inoltre nel processo al plasma l’elettrodo è sempre interno all’ugello, cosicché non entrando mai a contatto con il pezzo, non introduce impurità nel bagno; tale procedimento consente saldature in tutte le posizioni.

Figura 16.43 - Confronto degli archi di saldatura per la saldatura al plasma (sinistra) e per il processo di saldatura tipo TIG (destra).

per esplosione – è un processo in cui la pressione viene applicata tramite la detonazione di uno strato esplosivo posizionato al di sopra di uno dei due componenti da




collegare (Figura 16.44). Non vi è apporto di calore, né di materiale riempitivo; non avviene diffusione poiché il processo è troppo breve. L’energia cinetica al momento del contatto è estremamente alta e le superfici che si saldano assumono una forma ondulata: si generano così una saldatura “fredda” dovuta alla plasticizzazione ed un’interconnessione meccanica; in aggiunta, gli strati contaminanti vengono espulsi. Per tutti questi motivi la resistenza del giunto è molto elevata. Il componente superiore mobile (flyer plate) colpisce quello inferiore fisso con una certa inclinazione e poi l’esplosione, in modo progressivo lo “spalma”, provocandone altresì la fusione superficiale al punto di contatto. L’esplosivo, sotto forma di film, granuli o liquido, viene colato o pressato sul componente mobile (talvolta viene inter- posto uno strato elastomerico smorzante). La velocità di detonazione può variare da 2500 fino a 8500ms-1 a seconda del tipo e quantità di carica, ma esiste una soglia sotto alla quale la saldatura non avviene. Il processo è tipicamente usato per ottenere lamiere eterogenee placcate (di dimensioni 6x2m) che possono poi venir laminate per ridurne ulteriormente lo spessore

Figura 16.44 - Saldatura per esplosione.(1) Posizionamento di tutte le parti interessate all’operazione (2) Detonazione e successiva saldatura.

diffusion bonding – si tratta di un processo nel quale le prestazioni del giunto derivano prevalentemente dalla diffusione (movimento di atomi attraverso l’interfaccia) e secondariamente dalla deformazione e plastica delle superfici accoppiate. Questo processo nec er gar e int i fisi del metallo base. La resistenza dipende da:

ta alla giunzione di metalli diversi e di metalli reattivi come titanio, berillio, zirconio, superleghe e leghe refrattarie. Poiché esso implica la migrazione di atomi attraverso la giunzione, il processo è più lento rispetto alle altre tecniche di saldatura, ma può essere automatizzato. Al momento viene applicato per piccole serie produttive nei settori elettronico, nucleare e – soprattutto – aerospaziale, come mostrato in Figura 16.45. In questo settore la tecnica di saldatura per diffusion bonding è adottata in combinazione alla tecnologia di superplastic forming (cfr. Cap.12) per ottenere strutture complesse in parete sottile di titanio (Figura 16.46).

essita di temperature di circa 0,5Tfusione pantire un rateo di diffusione sufficiente. Lerfacce saldate possiedono le stesse prestazionche e meccaniche

• pressione • temperatura • durata del contatto • grado di pulizia delle superfici

tali requisiti possono essere rilassati nel caso venga utilizzato un materiale d’apporto. La pressione viene applicata da una pressa o dall’espansione termica delle parti da unire. La temperatura deriva da riscaldamento in forno o tramite resistenze. L’uso dell’autoclave

garantisce i giusti valori sia di pressione che di temperatura. La tecnologia di diffusion bonding è particolarmente adat

Figura 16.45 - Elementi per applicazioni aerospaziali ottenibili mediante saldatura diffusion bonding.

Figura 16.46 - Esempi di strutture complesse in parete sottile di titanio, realizzate applicando in modo combinato la tecnica di diffusion bonding e di superplastic forming.

friction stir welding – essa permette di saldare in modo semplice alcuni materiali in precedenza difficilmente saldabili, senza porosità, cricche e distorsioni. Tale metodo deriva dalla saldatura convenzionale per attrito e consente di sfruttarne i vantaggi, con trascurabili distorsioni post-saldatura e costi tecnologici contenuti. Le parti sono appoggiate su di una superficie piana (Figura 16.47) e vincolate in maniera da impedire che si allontanino. Di seguito un utensile di forma cilindrica




dotato di una spina liscia o eventualmente con risalti spiroidali (Figura 16.48), la cui lunghezza è comparabile con lo spessore delle lamiere da collegare, viene messo in rotazione e immerso nelle linee di giunzione.

Figura 16.47 - Saldatura friction stir welding. (a) Posizionamento/fissaggio delle parti da collegare su un piano di appoggio (b) (c) (d) Avvicinamento e posizionamento dell’utensile (e) Realizzazione della saldatura.

Figura 16.48 - Utensile per l’operazione di saldatura friction stir forming. Si noti la forma della spina posta nella parte anteriore dell’utensile.

Per la forza applicata, la spina deforma plasticamente il materiale fino a che la parte cilindrica non viene anch’essa a contatto con la superficie di lavoro. A questo punto il calore generato dall’attrito produce una zona elasticizzata attorno alla spina. Quando l’utensile avanza, il materiale elasticizzato, forgiato dalla parte anteriore della spina, è trasportato nella zona retrostante per l’avanzamento relativo ed il moto di rotazione. Quando l’utensile si allontana dalla zona di lavoro, la temperatura diminuisce ed il materiale ri-

cristallizza10: ne derivano diversi vantaggi: si eliminano le criccature, porosità e soffiature, ve n’è precipitazione e la struttura cristallina è fine. Il cordone di saldatura (Figura 16.49) è caratterizzato da anelli ellittici, che sono il prodotto del profilo dell’utensile e dello spostamento in avanti per rotazione, in rapporto alla curva di temperatura lungo la direzione ortogonale alla saldatura. Si

realizzare giunti di sezione variabile. Per contro, la friction stir welding ha basse velocità di processo (250mm/min), necessita di un appoggio piano per i pezzi e non è utilizzabile su linee chiuse a causa della necessità di estrarre la spina11.

distinguono la zona asintotica A, la zona termicamente alterata B, la zona con struttura cristallina modificata in direzione C e la zona ri-cristallizzata D. Ulteriori vantaggi sono rappresentati da minime tensioni residue e distorsioni, risparmi di peso e possibilità di

Figura 16.49 - Zone caratteristiche di un cordone ottenibile con la saldatura friction stir welding. (A) Zona asintotica (B) Zona termicamente alterata (C) Zona con struttura cristallina modificata (D) Zona ri-cristallizzata.

16.8 Brasatura e saldo-brasatura alvolta è auspicabile realizzare una giunzione permanente, prestante meccanicamente, affidabile

strutturalmente e stagna senza fondere il metallo base. Questo perché la saldatura produce una micro-struttura inaccettabile, oppure il metallo base ha la temperatura difusitro n-fus va per a di forma o dimensioni delle parti o natura dei materiali): in questi casi possono dimostrarsi

i materiali da collegare viene fatt ce in maniera da

ire p cap

tecnica dà luogo a giunti più

rti da collegare (da qui

one troppo alta, oppure i materiali da collegare sono

ppo dissimili. Le tecniche di saldatura di tipo noion non sempre costituiscono un’alternaticorribile (a caus

convenienti le tecniche di brasatura o saldo-brasatura. In questi processi, un metallo avente una temperatura di fusione più bassa rispetto a quella de

o fondere e fluisriemp er illarità il sottile meato tra le parti da giuntare, le quali non fondono. La saldo-brasatura (brazing) e la brasatura (soldering) si differenziano in base alla temperatura di fusione degli agenti brasanti (rispettivamente > 450 °C per la saldo-brasatura e < 450 °C per la brasatura. La prima resistenti, in quanto si manifesta una marcata inter-diffusione tra agente brasante e pail nome saldo-brasatura); questo conferisce ai giunti

10 Il processo avviene ad una temperatura inferiore alla temperatura di

il mantello cilindrico di serbatoi in pressione.

T

fusione, ma superiore alla temperatura di ri-cristallizzazione. 11 Ultimamente sono state però realizzate con particolari accorgimenti, saldature circonferenziali tra le calotte emisferiche ed




prestazioni meccaniche sufficienti per essere adottate nelle strutture aerospaziali: per esempio le prese d’aria

a turbina dell’elicottero Huey ale processo. La seconda

piamente adottata, per esempio

antistici. Nel seguito i due processi

e i condotti dei motori Cobra sono prodotti tramite ttecnica (brasatura) può offrire prestazioni meccaniche inferiori, ma viene amnella realizzazione di circuiteria avionica e nei collegamenti impivengono trattati separatamente in maggior dettaglio: saldo-brasatura – il flusso per capillarità rappresenta il meccanismo fisico che sta alla base di un buon giunto brasato, il quale deve essere caratterizzato da grande estensione e piccolo spessore (Figura 16.50).

Figura 16.50 - Tipologie di saldo-brasatura. Si notino le diverse forme per il materiale di apporto (riempitivo) (a) A forma di filo (b) A forma di anello (c) A forma di lamina a base rettangolare.

Il flusso capillare avviene quando in un liquido l’energia libera di superficie di un’interfaccia solido-

tesi, distribuzione omogenea degli sforzi;

el ridotto spessore): il controllo non distruttivo è critico.

I processi di saldo-brasatura si distinguono in base alla sorgente di calore che provoca la fusione dell’agente brasante:

• sorgente di calore chimica o torcia a gas o forno a gas o saldo-brasatura esotermica

• sorgente di calore elettrica o forno elettrico o resistenza o induzione o infrarossi o microonde o LASER o electron beam o per immersione (in bagno chimico o sali

metallici). Gli agenti di brasatura devono possedere:

a quello dei materiali da collegare;

dei materiali

assenza di

sione e

di agenti di brasatura, alcune delle

sidazione) con l’atmosfera protette

o paste

vapore e bagna tale solido secondo l’equazione di Young:

γvs = γls + γvlcosθ ove γvs ,γls ,γvl sono le energie libere di superficie per le interfacce vapore-solido, liquido-solido, vapore-liquido rispettivamente e θ l’angolo di contatto o angolo di bagnabilità, che è preferibile sia il più basso possibile. I vantaggi della tecnica sono:

• nessuna fusione, né variazione della micro-struttura del metallo base;

• possibilità di collegare materiali dissimili (anche porosi da sinterizzazione) e spessori anche molto diversi;

• giunti esdistorsione e sforzi residui trascurabili;

• possibilità di produzione automatica in serie di assiemi complessi e multi-componenti.

Per contro tale tecnica: • possiede limitata resistenza e stabilità ad alta

temperatura; • necessita di flussaggio chimico per preparare le

superfici; • necessita di pezzi realizzati con tolleranze di

forma e dimensioni strette; • può dar luogo ad effetti d’intaglio (a causa d

• buone caratteristiche meccaniche • CTE e conducibilità termica simili

• temperatura di fusione adatta a quellada collegare, con opportuna fluidità;

• composizione chimica stabile, con separazione dei componenti (liquation) nel corso del processo;

• elevata bagnabilità ed assenza di diffudiluizione nel materiale base.

Su queste basi, l’American Welding Society – AWS ha definito otto categorie quali sono elencate nella Fig.16.22 assieme alle leghe per la cui brasatura vengono utilizzate. Infine, per evitare reazioni (tipicamente di oscircostante, le saldo-brasature devono venir tramite:

• flussanti in forma di polvere, liquidi (sostanze contenenti cloridi, fluoridi o borati);




• atmosfere inerti (argon, anidride carbonica, ossido di carbonio, idrogeno, azoto);

• vuoto. brasatura – il meccanismo della brasatura è identico a

fusione dell’elemento brasante, che è responsabili della o dalla formazione di

e ed il substrato, ai to di tipo meccanico

e asperità delle ro resistenza sia aldo-brasate, le

negli apparati uità elettrica ed

garantiscono (Figura

quello della saldo-brasatura, con l’eccezione della temperatura diminore di 450 °C. Le forzeresistenza della giunzione derivanlegami chimici tra l’agente brasantquali si aggiunge il contribuderivante dall’interconnessione con lsuperfici accoppiate. Nonostante la loinferiore a quella delle giunzioni sgiunzioni brasate trovano largo impiegoelettronici ed avionici grazie alla continalla tenuta idraulica che esse 16.51).

Figura 16.51 - Alcuni agenti di saldo-brasatura secondo la classificazione AWS. Composizione tipica, temperatura approssimata e rispettive leghe di

questa tecnica sono: rmano in modo naturale,

i; re localm

ata; a è bassa, ed

o l’assieme può

• selezione del flussante • progettazione della giunzione • pulizia preliminare del giunto • scelta del processo di brasatura • rimozione del flussante • controllo del giunto

I materiali base devono essere tra loro elettro-imicamente e termo-elasticamente compatibili; essi

applicazione.

I vantaggi principali di• i giunti brasati si fo

grazie al processo di bagnabilità dei metall• non è necessario applicare il calo ente

e questo evita variazioni microstrutturali dei materiali giuntati e distorsioni del giunto;

• il processo è adatto alla produzione in massa e all’automazione, ma può anche essere svolto manualmente;

• unico tra i processi di saldatura, la brasatura può essere disassemblata portando di nuovo a fusione l’agente di brasatura.

Per contro, essa è affetta da diversi inconvenienti. • la resistenza meccanica è molto limit• la massima temperatura operativ

esiste il pericolo di creep; • il riscaldamento globale di tutt

danneggiare taluni componenti elettronici; • la microstruttura di un giunto brasato può evolvere

a causa della fatica termica. Un corretto ciclo tecnologico per una brasatura deve comprendere:

• scelta del materiale base • scelta dell’agente brasante

chpossono inoltre essere classificati in base alla propria brasabilità (nel caso specifico con una lega stagno-piombo), come mostrato nella Tabella 16.7:

Tabella 16.7 - Classificazione dei materiali in funzione della brasabilità.

BRASABILITA’ (BAGNABILITA’) BUONA MODESTA SCARSA DIFFICILE IMPOSSIB.

Oro Stagno Piombo A

Bronzo Ottone

Kovar Acciaio

Alluminio Bronzo/All.

Cromo Magnesio

rgento Monel Nichel

Zinco

Acc. inox Berillio Molibdeno Tungsteno Palladio

Occorre inoltre tener dalla presenza di oss

conto che la brasabilità è peggiorata ido superficiale, che va rimosso con

un la superficie va

sotto forma di fili, fogli, e speciali devono avere le

dus < 450 °C

• buona bagnabilità e

opportuno flussante; poi adeguatamente protetta. Gli agenti di brasatura, forniti nastri e eventualmente pre-formseguenti caratteristiche:

• temperatura di liqui• buona fluidità

• buone caratteristiche elettriche e termich•

posspiom

accettabile resistenza meccanica ono essere metalli-basso fondenti quali stagno, bo, zinco, indio, bismuto (leghe fusibili) oppure le

loro leghe stagno-piombo, stagno-antimonio, stagno-




gento, stagno-zinco, cadmio-argento, cadmio-zinco, zinco-alluminio (Tabella 16.8). Gli agenti flussanti, in forma di liquidi, paste o polveri, devono rimuovere lo strato di ossido ed aumentare la bagnabilità della superficie. Tanto più il metallo-base è difficile da brasare, tanto più aggressivo deve essere l’agente flussante; in ordine di aggressività:

• solvente rosin (ricavato dal legno) • flussanti organici (alogeni e amine) • flussanti inorganici (acidi e sali)

In alternativa ai flussanti, che hanno l’inconveniente di dover essere rimossi con solventi CFC (dannosi per l’ambiente responsabili del “buco nell’ozono”), lo strato di ossido può essere rimosso con il laser oppure con atmosfere di acido citrico o formico.

Tabella 16.8 - Alcuni agenti di brasatura. Composizione approssimata, temperatura approssimata di fusione e principali applicazioni.

ar

Il processo di brasatura (che deve essere preceduto da una pulizia preliminare atta a rimuovere contaminanti

quali olio, grassi, vernici e che viene effettuata tramite acido cloridrico, fosforico, solforico, nitrico preceduto da sabbiatura) deve in ogni caso produrre una corretta temperatura ed uniforme distribuzione del calore, nonché ad opportuni ratei di riscaldamento e di raffreddamento. Le varie tecniche si differenziano in base al mezzo utilizzato per riscaldare il metallo base. Se è di tipo chimico: brasatura alla torcia a gas;

• brasatura per immersione in bagno di sali se è di tipo elettrico:

• brasatura in forno elettrico • brasatura per contatto • brasatura per induzione • brasatura per resistenza

se è di tipo meccanico: • brasatura per ultrasuoni

16.9 Progettazione dei giunti saldati e saldature nelle costruzioni aeronautiche vengono generalmente adottate in due circostanze: nelle

strutture a semiguscio costituite da lamiere sottili in lega leggera d’alluminio saldabile e nelle strutture reticolari di

L




Figura 16.52 - Simbologia standard di identificazione delle saldature sui disegni tecnici.

liere e gondole motore in tubi snelli in acciaio saldabile al cromo molibdeno. La Figura 16.52 riporta la simbologia standard di identificazione delle saldature sui disegni tecnici. - saldature strutture a semiguscio (lamiere lega di Al); esse appartengono a 5 categorie in base alla geometria

fuso

(Figura 16.53):

a) di testa (Figura 16.54) b) ad angolo (Figura 16.55) c) di bordo (Figura 16.56)

ase alla posizione

d) a sovrapposizione (Figura 16.57) e) a “T” (Figura 16.58)

a 4 categorie in b (Figura 16.59) :

uso

lare

a 4 ase alla modalità

a) piana (consigliabile); b) orizzontale (non consigliabile, il metallo f

può colare); c) verticale (non consigliabile, il metallo fuso può

colare); d) rovescia (da evitare, il metallo fuso può co

ed inoltre è difficile da eseguire);

categorie in b (Figura 16.60): a) con cordone e “ripresa”; b) con raccordo; c) a tampone; d) a ricoprimento superficiale.

Nell’eseguire le saldature delle lamiere devono essere uiti alcuni criteri generali, ovvero: • design for welding l’assieme va progettato sin

seg

dall’inizio per essere saldato; • minimum part in un assieme saldato va

minimizzato il numero dei componenti; • ove possibile, la posizione della saldatura non

deve interferire con ulteriori lavorazioni, con la funzionalità e l’estetica;

• ove possibile minimizzare la necessità di preparazione dei lembi;

o • le dimensioni del cordone di saldatura vannminimizzate, per conservare il materiale base.




Figura 16.53 - Classificazione delle saldature di strutture a semiguscio in base alla geometria.

(a)

(b)

Figura 16.54 - Saldature di testa (a). Si notino le diverse forme dellDimsald

•

e estremità delle parti da giuntare (linee tratteggiate) (b) ensioni consigliate per le principali grandezze nella atura.

Inoltre, nel caso specifico di saldatura all’arco: • buon accoppiamento delle parti da saldare; • buona accessibilità all’area di saldatura; • ove possibile, progettare saldature piane (cfr.);

invece, nel caso di saldature a resistenza per punti: • sufficiente accessibilità per gli elettrodi; • sufficiente sovrapposizione tra le lamiere;

• lamiere in acciaio dolce di spessore < 3mm sono ilmateriale ideale; la rigidezza può essere migliorata tramite imbutiture, irrigidimenti e rinforzi.

Figura 16.55 - Saldatura ad angolo. (a) Tipo chiuso (b) Tipo aperto (c) Rinforzata.

Figura 16.56 - Saldatura di bordo. (a) Thin stock (b) Thick stock.

(a)

(b)

Figura 16.57 - Saldatura a sovrapposizione. (a) a) A singolo giunto b) A doppio giunto (b) Dimensioni consigliate per le principali grandezze nella saldatura.




(a)

(b)

Figura 16.58 - Saldatura a “T”. (a) a) Piana b) A singolo spigolo c) A doppio spigolo (b) Dimensioni consigliate per le principali grandezze nella saldatura.

Figura 16.59 - Classificazione delle saldature di strutture a semiguscio in base alla posizione degli elementi da unire.

Ciononostante, l’esecuzione di una saldatura può portare a diversi tipi di errori, alcuni dei quali sono mostrati nelle Figura 16.61 eFigura 16.62. - saldature strutture reticolari (tubi acciaio al Cr-Mo): per realizzare le strutture di piccoli velivoli, di gondole o castelli motore (Figura 16.63) si usano tubi in acciaio saldabile di diametro 15-25mm e spessori 1-2mm. Oltre alle considerazioni iniziali relative allascel o , vanno

orre attenzione all’effetto esercitato dalle dilatazioni e dalle contrazioni termiche sulla geometria globale della struttura;

• nel caso di collegamento di testa di tubi aventi diametri diversi, adottare geometrie a doppio bisello, per una miglior diffusione degli sforzi;

• progettare sequenza e verso delle saldature in funzione della geometria del giunto e della direzione preferenziale dei grani cristallini.

ta del tipo di processo (in genere all’arco elettrico

a gas) ed alla progettazione strutturale

applicate alcune regole di progettazione tecnologica, quali (Figura 16.64):

• l’adozione di opportuni “fazzoletti” (gussets) nei giunti ove convergano due o più tubi, per introdurre in maniera graduale gli sforzi;

• nei giunti “a T” e ad angolo, p

Figura 16.60 - Classificazione delle saldature di strutture a semiguscio in base alla tipologia del cordone.

Figura 16.61 - Alcune tipologie di errori nelle saldature.




Figura 16.62 - Tipologie di errori nelle saldature di testa. Dall’alto verso il basso si hanno: saldatura corretta, saldature con fusione insufficiente, conformazione di sottointagli e penetrazione incompleta.

Figura 16.63 - Esempio di saldature in una struttura reticolare.

Figura 16.64 - Accorgimenti adottati per lapro ettazione di saldature di strutture reticolari.

g

di

ari di prog 6.65)

odo da

Figura 16.65 - Progettazione di saldature di strutture

Oltre a ciò, occorre sempre ricordare che in questo tipostrutture, le saldature rappresentano sempre il “punto debole”, a causa delle ridotte prestazioni del materiale nonché della concentrazione dei carichi. I particol

etto (alcuni di essi sono mostrati in Figura 1devono perciò essere particolarmente curati, in mnon aggiungere ulteriori cause di criticità.

(a) (b)

reticolari: forma delle estremità (a) Soluzioni ottimali (b) Da evitare.




16.10 Qualità della saldatura e caratteristiche meccaniche (e quindi la qualità)

ompromesse dalla ezione resistente o

sforzo; tali difetti possono

c)

e) insufficiente fusione tra “passate” multiple; f) formazione di intagli (undercut) alla base.

della saldatura possono essere cpresenza di difetti, che riducono la sla resistenza del materiale, oppure provocano la nascita di concentrazioni di riferirsi: alla preparazione del giunto – in tal caso (Figura 16.66) si possono avere:

a) disallineamenti tra le parti da saldare; b) insufficiente riempimento del cordone;

insufficiente penetrazione della saldatura d) errore di posizionamento del cordone (Laser);

Figura 16.66 - Difetti legati alla preparazione del giunto.

alla zon

s, da

a;

ettrodi, nonché contaminanti amb inanti

e chimica); • schermatura con gas inerte;

entro il cordone; - incompleta fusione: questa eventualità porta a cordoni di qualità inadeguata (Figura 16.67); i correttivi sono:

• aumento della temperatura del metallo base; • pulizia preliminare della zona di saldatura; • scelta opportuna del giunto e dell’elettrodo; • schermatura con gas inerte;

a fusa – è la zona che ha subito il passaggio distato e che va più soggetta a difetti, di seguito elencati: - porosità: la porosità (consistente in cavità sferiche o ellissoidali) può essere provocata dal rilascio di gareazioni chimiche o da contaminazioni; la distribuzione può essere randomatica o preferenziale. La porosità può venir ridotta tramite:

• opportuna selezione degli elettrodi e filler; • pre-riscaldamento della zona di saldatur• pulizia preliminare dai contaminanti; • moderata velocità di saldatura.

- inclusioni: possono essere costituite da ossidi, residui di flussante o el

ientali. E’ preferibile che i contamgalleggino e non rimangano intrappolati entro il cordone. Le inclusioni possono essere ridotte tramite:

• pulizia preliminare (meccanica

• affinamento del metallo fuso

Figura 16.67 - Difetti relativi alla fusione incompleta. (a) Nei raccordi di una saldatura a “T” (b) Presenza di ossidi e dross in una saldatura di testa (c) In lamiere con estremità rastremate una saldatura di testa.

- incompleta penetrazione: consiste nell’insufficiente profondità del cordone; i correttivi sono:

• aumento dell’apporto di calore;

tra le parti;

stetici, ma perché riduce la resistenza del giunto e segnala un insufficiente riempimento. Esso può consistere (Figura 16.68) in a) mancanza di materiale b) sovrapposizione e cavità concentrazione di sforzo

• riduzione della velocità di saldatura; • modifica del progetto del giunto; • miglioramento dell’accoppiamento

- errato profilo del cordone: è un’evenienza importante non tanto ai fini e

Figura 16.68 - Difetti connessi all’errato profilo del cordone.

alla zona parzialmente fusa – il difetto tipico di questa zona, ma anche del cordone e della zona termicamente alterata, consiste nelle cricche (Figura 16.69), che possono essere crateriformi, longitudinali, trasversali, al piede o sotto il cordone. La nascita di cricche generalmente è dovuta alla combinazione dei seguenti fattori:

L




• gradienti di temperatura; composizione e contrazioni disomogenee; •

il

, che si producono a lidificazione completata. Per ovviare a tali

corre: re il progetto della giunzione per

ridurre la contrazione al raffreddamento; o;

• infragilimento di bordo grano (segregazione); • infragilimento da idrogeno; • contrazione impedita durante

raffreddamento. Le cricche vengono suddivise in cricche a caldo, che si generano quando il giunto è ancora a alta

mperatura, e cricche a freddotesoinconvenienti oc

• modifica

• modificare parametri e procedure di process

F ociati alla zona parzialmente f longitudinali, trasversali, al

lla zona termicamente alterata – i difetti si generano o e dipendono dagli sforzi di origine

.70): esenza di

ile e relativamente basse (100-200 °C)

tipiche delle to di

mellari dipendono dall’elevata essore (dovuta

non-metalliche di re) in presenza di elevati sforzi

derivanti dalla contrazione; – a causa del succedersi

ficano proc o

rigine a sforzi residui, che a loro volta producono

ura 16.71); sive

lavorazioni alla macchina utensile;

rrosion; a vita a fatica.

igura 16.69 - Difetti assusa: cricche crateriformi,

piede o sotto il cordone.

aallo stato solidtermo-elastica; i tipi più frequenti sono (Figura 16

• cricche da idrogeno (a caldo) in pridrogeno, forti sforzi tensili, struttura fragtemperature

• cricche da post-riscaldamento leghe refrattarie Mo-V, dovute al cedimencomposti fragili segregati al bordo grano;

• cedimenti lafragilità del metallo lungo lo spalla presenza di inclusioniforma lamellalocalizzati

alla nascita di sforzi residuidi riscaldamento e raffreddamento, si veri

essi di dilatazione e di contrazione, i quali dannodifetti come:

• distorsioni e instabilità (Fig• ulteriori distorsioni a causa di succes

• criccature da stress-co• riduzione dell

Figura 16.70 - Difetti dipendenti dagli sforzi di origine termo-elastica associati alla zona termicamente alterata.

Figura 16.71 - Distorsioni e instabilità legati alla nascita di sforzi residui. (a) Ritiro trasversale, distorsione angolare e ritiro longitudinale in una saldatura di testa (b) Distorsione angolare, inflessione di una saldatura a “T”.

Il tipo e la distribuzione degli sforzi residui sono mostrati in Figura 16.72.

Figura 16.72 - (a) Esempio di saldatura di testa (b) Tipologia e distribuzione degli sforzi residui.

Alla conclusione della saldatura, il cordone si trova ad alta temperatura, mentre le lamiere sono quasi completamente a temperatura ambiente. Il calore inizia subito a fluire lateralmente: il cordone si raffredda e si contrae longitudinalmente, le lamiere si riscaldano e si dilatano nella stessa direzione: l’effetto induce sforzi di trazione nel cordone, di compressione nelle lamiere (che si annullano ad una certa distanza). Se la struttura non è vincolata, tali sforzi si equilibrano, altrimenti nascono sforzi iperstatici che possono dar luogo a distorsioni e a




complessi stati di sollecitazione. Gli sforzi residui possono essere ridotti tramite:

• pre-riscaldamento delle lamiere (che rende meno drastico il gradiente di raffreddamento);

• introduzione di stati di sforzo aggiuntivi di compressione (pallinatura, rullatura);

• plasticizzazione (moderata) della zona di saldatura per ridurre i picchi di trazione;

• trattamento termico (ricottura o bonifica delle leghe d’alluminio, ricottura o normalizzazione degli acciai).

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16 TECNICHE DI GIUNZIONE CONTINUA DEI MATERIALI …saldatura può richiedere la partecipazione attiva solo del metallo base, oppure necessitare anche di materiale d’apporto. In ogni